Двухсистемный спутниковый навигационный приемник, выполненный по технологии "система в корпусе"
Полезная модель относится к спутниковым навигационным приемникам (СНП), которая может найти широкое применение для приема навигационных сигналов от двух спутниковых навигационных систем (СНС): глобальной навигационной системы ГЛОНАСС (Россия) и GPS (Global Positioning System) (США).
Техническим результатом данной полезной модели, является понижение энергопотребления за счет использования аналоговой и цифровой СБИС выполненной по технологии "система в корпусе", перераспределения функций между элементами приемника.
Указанный технический результат достигается за счет того, СИП содержит СБИС выполненную по технологии "система в корпусе", которая имеет аналоговую СБИС и цифровую СБИС, разъем подключения ГЛОНАСС/GPS антенны, входной полосовой фильтр, два кварцевых генератора и два полосовых фильтра, порт ввод-вывода.
Полезная модель относится к спутниковым навигационным приемникам (СНП), которая может найти широкое применение для приема навигационных сигналов от двух спутниковых навигационных систем (СНС): глобальной навигационной системы ГЛОНАСС (Россия) и GPS (Global Positioning System) (США).
Большая часть СНП конструктивно представляет собой набор последовательно соединенных блоков: блок радиочастотного тракта, блок цифрового тракта, разъем подключения ГЛОНАСС/GPS антенны и порт ввода-вывода.
Из уровня техники известно и описано, например, в книге Ю.А. Соловьева "Спутниковая навигация и ее приложения ", М.: Эко-Трендз, 2003, стр.311-319, СНП, которые работают в двух СНС ГЛОНАСС и GPS. Недостатком описанных СНП ГЛОНАСС/GPS является большое энергопотребление, которое составляет от несколько ватт до 100 мВт и как следствие, невозможность применения в переносных (мобильных) устройствах (сотовых телефонах, смартфонах, портативных переносных компьютерах и т.п.). Например, энергопотребление СНП К-161, выпускаемого РИРВ (стр.311), составляет 1,3 Вт при напряжении питания 3,3 вольта, потребляемый ток 0,39 А. При таких параметрах, максимальное время работы СНП К-161 в типовом смартфоне, батарея питания которого имеет емкость 1,2 А * час, составит около 3 часов, что явно недостаточно для решения навигационных задач.
Известен ГЛОНАСС/GPS приемник, описанный в журнале «Электроника: Наука, Технология, Бизнес», №3 за 2004 г., в статье Игоря Корнеева и Олега Лагутина «Навигационный приемник TFAG50». ГЛО-HACC/GPS приемник состоит из следующих компонентов: аналоговой части, цифровой части и порта ввода-вывода. Данный СНП TFAG50 выберем за прототип.
Однако этот СНП TFAG50 имеет недостаток - у него слишком высокое энергопотребление. Например, энергопотребление прототипа СНП TFAG50, составляет 0,65 Вт при напряжении питания 3,3 вольта, потребляемый ток 0,17 А. При таких параметрах, максимальное время работы СНП TFAG50 в типовом смартфоне, батарея питания которого составляет 1,2 А * час, составит около 7 часов, что явно недостаточно для решения навигационной задачи.
Требования миниатюризации при возрастающем уровне сложности микросхем выводят сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) типа «система в корпусе» или, по международной терминологии, «System in Package» (SiP) на передовые позиции полупроводниковых разработок. Данные схемы осуществляют системное функционирование нескольких кристаллов внутри одного корпуса. Кристаллы располагаются на одном уровне или один над другим, дополняются пассивными или иными необходимыми компонентами и образовывают целые интегрированные модули в одном корпусе, осуществляющие полноценное функционирование конечного продукта, например, ГЛОНАСС/GPS приемника.
Таким образом, техническим результатом данной полезной модели, является понижение энергопотребления за счет использования аналоговой и цифровой СБИС выполненной по технологии "система в корпусе", перераспределения функций между элементами приемника.
Технический результат достигается за счет того, что двухсистемный спутниковый навигационный приемник (СНП) выполненный по технологии
"система в корпусе" содержит входной разъем для подключения совмещенной ГЛОНАСС/GPS антенны, входной полосовой фильтр, предназначенный для фильтрации сигналов ГЛОНАСС (Россия) и GPS (США), порт ввода-вывода, предназначенный для подключения внешних устройств и ввода-вывода команд, содержит аналоговую и цифровую сверхбольшую интегральную схему (СБИС), при этом аналоговая СБИС предназначена для усиления, фильтрации сигналов от спутниковых навигационных систем (СНС) ГЛОНАСС и GPS, аналого-цифрового преобразования, а цифровая СБИС предназначена для корреляционной обработки шумоподобных спутниковых навигационных сигналов, синхронных со шкалой единого времени, решения навигационной задачи и управления с использованием процессора, при этом первый вход аналоговой СБИС соединен со вторым выходом полосового фильтра, предназначенного для фильтрации сигналов ГЛОНАСС и GPS, первый вход полосового фильтра соединен со вторым выходом разъема подключения совмещенной ГЛОНАСС/GPS антенны, второй выход упомянутой аналоговой СБИС соединен с первом входом цифровой СБИС и предназначен для передачи сигналов промежуточной частоты ГЛОНАСС, третий вход аналоговой СБИС соединен со вторым выходом цифровой СБИС и предназначен для передачи сигналов управления усилением сигналов ГЛОНАСС, четвертый выход аналоговой СБИС соединен с третьим входом цифровой СБИС и предназначен для передачи сигнала промежуточной частоты GPS, пятый вход аналоговой СБИС соединен с четвертым выходом цифровой СБИС и предназначен для передачи сигналов управления усилением сигналов GPS, при этом шестой выход аналоговой СБИС соединен с первым входом первого кварцевого генератора, предназначенного для формирования тактовой частоты, второй выход упомянутого кварцевого генератора соединен с седьмым входом аналоговой СБИС, пятый выход упомянутой цифровой СБИС соединен с первым входом второго кварцевого генератора,
предназначенного для формирования частоты реального времени, второй выход второго кварцевого генератора соединен с шестым входом цифровой СБИС, седьмой вход-выход цифровой СБИС соединен с первым входом-выходом порта ввода-вывода, при этом восьмой выход аналоговой СБИС соединен с первым входом первого полосового фильтра, предназначенного для фильтрации сигналов СНС ГЛОНАСС, второй выход которого соединен с девятым входом аналоговой СБИС, десятый выход упомянутой аналоговой СБИС соединен с первым входом второго полосового фильтра, предназначенного для фильтрации сигналов СНС GPS, второй выход которого соединен с одиннадцатым входом аналоговой СБИС.
Заявленная полезная модель иллюстрируется следующими чертежами: фиг.1, на которой показана структурная схема СНП; фиг.2, на которой показана СБИС выполненная по технологии «система в корпусе».
Рассмотрим структуру и работу СНП.
Как видно из чертежа фиг.1, СНП 1, содержит разъем подключения ГЛОНАСС/GPS антенны 2, к которому подключается полосовой фильтр 3. К фильтру 3 подключается СБИС типа «система в корпусе» 11, которая принимает сообщения от двух СНС ГЛОНАСС и GPS (на чертеже не показано), к которой подключен порт ввода-вывода 6.
СБИС типа «система в корпусе» 11 содержит аналоговую СБИС 4, которая предназначена для усиления, фильтрации GPS и ГЛОНАСС сигналов и аналого-цифрового преобразования (на чертеже не показано) и цифровую СБИС 5, которая предназначена для корреляционной обработки шумоподобных навигационных сигналов, синхронных со шкалой единого времени и решения навигационной задачи и управления с использованием процессора (на чертеже не показано).
К аналоговой СБИС 4 присоединены два полосовых фильтра, первый полосовой фильтр 7 предназначен для обработки сигналов от СНС
ГЛОНАСС (Россия), второй полосовой фильтр 8, предназначен для обработки сигналов от СНС GPS (США) (на чертеже не показано).
Кроме того, к аналоговой СБИС 4 присоединен первый кварцевый генератор 9, предназначенный для формирования тактовой частоты. Второй кварцевый генератор 10, предназначенный для формирования тактовой частоты часов реального времени, присоединен к цифровой СБИС 5. Вход-выход цифровой СБИС 5 соединен с входом-выходом порта ввода-вывода 6.
В состав аналоговой СБИС 4 входят (на чертеже не показано): малошумящий усилитель (МШУ), два смесителя, два усилителя промежуточной частоты (УГГЧ) с системой АРУ для сигналов СНС GPS и СНС ГЛОНАСС, активные фильтры, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), генератор управляемый напряжением (ГУН) с системой фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) и опорным генератором.
Цифровая СБИС 5 содержит (на чертеже не показано): процессор, например, ARM922T, коррелятор на 16 или 24 канала, энергонезависимое оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), память ОЗУ, генератор тактовой частоты, контроллер внешней памяти, контроллер прерываний, таймер, контроллер потребляемой мощности.
СНП 1 работает следующим образом.
Сигналы от двух СНС ГЛОНАСС (Россия) и GPS(CUIA) (на чертеже не показано) непрерывно поступают на совмещенную ГЛО-HACC/GPS антенну 12, далее через разъем подключения антенны 2 поступают на полосовой фильтр 3.
Здесь необходимо отметить, что совмещенный ГЛОНАСС/GPS приемник выполнен по технологии СБИС «система в корпусе» 11 и состоит из аналоговой СБИС 4 и цифровой СБИС 5. Совмещенная СБИС 11 предназначена для приема сигналов СНС ГЛОНАСС (частотные литеры - от -7 до +12, сигнал стандартной точности) и СНС GPS (сигнал С/А).
В аналоговой СБИС 4 СБИС «система в корпусе» 11 производится фильтрация и усиление входных сигналов, а также их оцифровка (на чертеже не показано). Аналоговая СБИС 4 (на чертеже не показано) построена по схеме супергетеродинного приемника с двойным преобразованием частоты. Частоты гетеродинов формируются из частоты опорного кварцевого генератора 10 методом косвенного синтеза (на чертеже не показано) с использованием петли фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Выходные сигналы аналоговой СБИС 4 (на чертеже не показано) - это бинарные отсчеты сигналов второй промежуточной частоты (ПЧ) СНС ГЛОНАСС и СНС GPS, сигнал тактовой частоты 61 МГц, сигнал индикации захвата ФАПЧ.
В цифровой СБИС 5 (на чертеже не показано) производится дальнейшая (аппаратная и программная) цифровая обработка сигналов. В состав цифровой СБИС 5 (на чертеже не показано) входят 16 или 24-канальный коррелятор, процессор, память, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) и память ОЗУ.
Необходимо отметить, что входящий в состав цифровой СБИС 5 (на чертеже не показано) 16 или 24-канальный коррелятор имеет рабочую тактовую частоту 30,5 МГц и содержит 16 или 24 корреляционных каналов; сдвоенный приемопередатчик (DUART) типа RS-232 с FIFO объемом 16×8 бит; формирователь секундной метки времени 1PPS; часы реального времени (RTC), а также формирователи сигнала прерывания INT1 и шкалы времени (на чертеже не показаны).
Принятые геодезические данные от двух СНС ГЛОНАСС и GPS поступают во встроенный в цифровую СБИС 5 процессор (на чертеже не показано), который анализирует полученные координаты геодезических пунктов. Процессор (на чертеже не показано) цифровой СБИС 5 может выполнять операцию по изменению данных на заданную величину среднеквадратичного
отклонения координат. Координаты геодезических пунктов передаются в порт ввода-вывода 6.
Встроенный процессор цифровой СБИС 5 (на чертеже не показано) имеет возможность шифрования координат геодезических пунктов полученных от СНС ГЛОНАСС и GPS (на чертеже не показано).
СИП 1 имеет возможность подключения различных датчиков и устройств (на чертеже не показано), которые могут быть подключены к порту ввода-вывода 6.
Порт ввода-вывода 6 предназначен для коммутации с источником электропитания и внешними устройствами, например, персональным компьютером (на чертеже не показано). Электропитание СНП 1 может осуществляться от батареи электропитания, в качестве которой может выступать аккумуляторная батарея (на чертеже не показано), или внешнего источника, подключенного к порту внешнего электропитания, который находится в порте ввода - вывода 6.
Впервые в СНП 1 была использована СБИС выполненная по технологии "система в корпусе" 11, которая содержит две СБИС: аналоговая СБИС 4 и цифровая СБИС 5 для одновременного приема спутниковых навигационных сигналов от двух СНС ГЛОНАСС (Россия) и GPS (США), тем самым решая задачу полезной модели: понижение энергопотребления за счет использования СБИС выполненных по технологии "система в корпусе" 11, перераспределения функций между элементами СНП.
Так, например, энергопотребление СБИС 11, выполненной по технологии "система в корпусе" составляет 0,02 Вт при напряжении питания 3,3 вольта, потребляемый ток 0,0054 А. При таких параметрах, максимальное время работы СНП в типовом смартфоне, батарея питания которого составляет 1,2 А * час, составит около 222 часов (9 суток), что в 30 раз лучше прототипа и достаточно для решения навигационных задач.
На фиг.2 показана СБИС 11, выполненная по технологии "система в корпусе", которая содержит две СБИС 4 и 5.
Изготовление СБИС 11 и СБИС 4 и 5 осуществляют по технологии "система в корпусе" на основе проектной документации ФГУП НИИМА "Прогресс" (Россия) и других типовых стандартных радиоэлектронных компонентов.
Опытный образец СНП 1 был изготовлен во ФГУП НИИМА "Прогресс" (Россия). Испытания показали, что он соответствует тем требованиям, которые предъявляются к требованиям средств измерений СНП ГЛОНАСС/GPS.
Двухсистемный спутниковый навигационный приемник (СНП), выполненный по технологии "система в корпусе" содержащий входной разъем для подключения совмещенной ГЛОНАСС/GPS антенны, входной полосовой фильтр, предназначенный для фильтрации сигналов ГЛОНАСС (Россия) и GPS (США), порт ввода-вывода, предназначенный для подключения внешних устройств и ввода-вывода команд, отличающийся тем, содержит аналоговую и цифровую сверхбольшую интегральную схему (СБИС), при этом аналоговая СБИС предназначена для усиления, фильтрации сигналов от спутниковых навигационных систем (СНС) ГЛОНАСС и GPS, аналого-цифрового преобразования, а цифровая СБИС предназначена для корреляционной обработки шумоподобных спутниковых навигационных сигналов, синхронных со шкалой единого времени, решения навигационной задачи и управления с использованием процессора, при этом первый вход аналоговой СБИС соединен со вторым выходом полосового фильтра, предназначенного для фильтрации сигналов ГЛОНАСС и GPS, первый вход полосового фильтра соединен со вторым выходом разъема подключения совмещенной ГЛОНАСС/GPS антенны, второй выход упомянутой аналоговой СБИС соединен с первом входом цифровой СБИС и предназначен для передачи сигналов промежуточной частоты ГЛОНАСС, третий вход аналоговой СБИС соединен со вторым выходом цифровой СБИС и предназначен для передачи сигналов управления усилением сигналов ГЛОНАСС, четвертый выход аналоговой СБИС соединен с третьим входом цифровой СБИС и предназначен для передачи сигнала промежуточной частоты GPS, пятый вход аналоговой СБИС соединен с четвертым выходом цифровой СБИС и предназначен для передачи сигналов управления усилением сигналов GPS, при этом шестой выход аналоговой СБИС соединен с первым входом первого кварцевого генератора, предназначенного для формирования тактовой частоты, второй выход упомянутого кварцевого генератора соединен с седьмым входом аналоговой СБИС, пятый выход упомянутой цифровой СБИС соединен с первым входом второго кварцевого генератора, предназначенного для формирования частоты реального времени, второй выход второго кварцевого генератора соединен с шестым входом цифровой СБИС, седьмой вход-выход цифровой СБИС соединен с первым входом-выходом порта ввода-вывода, при этом восьмой выход аналоговой СБИС соединен с первым входом первого полосового фильтра, предназначенного для фильтрации сигналов СНС ГЛОНАСС, второй выход которого соединен с девятым входом аналоговой СБИС, десятый выход упомянутой аналоговой СБИС соединен с первым входом второго полосового фильтра, предназначенного для фильтрации сигналов СНС GPS, второй выход которого соединен с одиннадцатым входом аналоговой СБИС.
