Двухсистемный спутниковый навигационный приемник
Полезная модель относится к двухсистемным 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 уменьшение габаритов и понижение энергопотребления за счет двух микросхем радиочастотных блоков ГЛОНАСС и GPS, разветвителя сигналов и перераспределения функций между элементами приемника.
Указанный технический результат достигается за счет того, СПН содержит антенный разъем, разветвитель сигналов, радиочастотный блок ГЛОНАСС и GPS, N-канальный коррелятор, процессор, энергонезависимую память Flash, часы реального времени (RTC - Real Time Clock), два термокомпенсированных кварцевых генератора (ТСХО - Temperature Compensated Crystal Oscillators), порт ввода-вывода. В частном варианте двухсистемный СНП содержит N-канальный коррелятор выполненный на основе микросхемы ПЛИС (FPGA) или специализированной интегральной схемы (ASIC), процессор выполненный на основе цифрового сигнального процессора (DSP) компании TI или процессора компании ARM, радиочастотные блоки ГЛОНАСС и GPS выполненные на основе микросхем МАХ2769 компании MAXIM.
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 двухсистемных СНП конструктивно содержат: блок радиочастотного тракта ГЛОНАСС и GPS, 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 5 Ватт до 650 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». ГЛОHACC/GPS приемник состоит из следующих компонентов: аналоговой
части, цифровой части и порта ввода-вывода. Данный СНП выберем за прототип. Однако этот СНП TFAG50 имеет недостаток - у него слишком высокое энергопотребление (650 мВт) и большие габариты (70 мм × 50 мм).
Таким образом, техническим результатом данной полезной модели, является уменьшение габаритов и понижение энергопотребления за счет двух микросхем радиочастотных блоков ГЛОНАСС и GPS, разветвителя сигналов и перераспределения функций между элементами приемника.
Технический результат достигается за счет того, что двухсистемный спутниковый навигационный приемник (СНП) содержащий антенный разъем, предназначенный для подключения совмещенной ГЛОHACC/GPS антенны, порт ввода-вывода, предназначенный для подключения внешних устройств и ввода-вывода данных, N-канальный коррелятор, предназначенный для корреляционной обработки навигационных сигналов ГЛОНАСС и GPS, процессор, предназначенный для поиска ГЛОНАСС и GPS сигналов, слежения за ними и решения навигационной задачи, часы реального времени (RTC - Real Time Clock), предназначенные для стабилизации частоты и измерения интервалов времени, энергонезависимая память Flash, предназначенная для записи-считывания и хранения данных, два термокомпенсированных кварцевых генератора (ТСХО - Temperature Compensated Crystal Oscillators), предназначенные для формирования тактовых частот, дополнительно содержит разветвитель сигналов, предназначенный для разветвления ГЛОНАСС и GPS сигналов, радиочастотный блок ГЛОНАСС, предназначенный для фильтрации, аналого-цифрового преобразования и усиления входных сигналов ГЛОНАСС, радиочастотный блок GPS, предназначенный для фильтрации, аналого-цифрового преобразования и усиления входных сигналов GPS, при этом первый вход антенного разъема соединен с
ГЛОHACC/GPS антенной, второй выход антенного разъема соединен с первым входом разветвителя сигналов, второй выход которого соединен с первым входом радиочастотного блока ГЛОНАСС, второй вход которого соединен с выходом первого ТСХО, третий выход радиочастотного блока ГЛОНАСС соединен с первым входом N-канального коррелятора, при этом третий выход разветвителя сигналов соединен с первым входом радиочастотного блока GPS, второй вход которого соединен с выходом первого ТСХО, третий выход радиочастотного блока GPS соединен со вторым входом N-канального коррелятора, третий вход-выход которого соединен с первым входом-выходом процессора, второй вход-выход которого соединен с энергонезависимой памятью Flash, третий вход процессора соединен с выходом RTC, четвертый вход-выход процессора соединен с входом-выходом порта ввода-вывода, при этом пятый вход процессора и четвертый вход N-канального коррелятора соответственно соединены с выходом второго ТСХО.
В частном варианте двухсистемный спутниковый навигационный приемник содержит N-канальный коррелятор выполненный на основе микросхемы ПЛИС (FPGA) или специализированной интегральной схемы (ASIC), процессор выполненный на основе цифрового сигнального процессора (DSP) компании TI или процессора компании ARM, радиочастотные блоки ГЛОНАСС и GPS выполненные на основе микросхем МАХ2769 компании MAXIM.
Заявленная полезная модель иллюстрируется следующим чертежом: фиг.1, на котором показана структурная схема СНП 1.
Рассмотрим структуру и работу СНП 1.
Как видно из чертежа фиг.1, СНП 1, содержит разъем подключения ГЛОНАСС/GPS антенны 12, к которому подключается совмещенная ГЛОНАСС/GPS антенна 13, которая принимает сообщения от двух СНС ГЛОНАСС и GPS 14. К разъему 12 подключается разветвитель сигналов
2, который предназначен для разветвления ГЛОНАСС и GPS сигналов. Разветвитель сигналов 2 вторым выходом соединен с радиочастотным блоком ГЛОНАСС 3. Радиочастотный блок ГЛОНАСС 3 предназначен для усиления, аналого-цифрового преобразования и фильтрации ГЛОНАСС сигналов (на чертеже не показано). Разветвитель сигналов 2 третьим выходом соединен с радиочастотным блоком GPS 4. Радиочастотный блок GPS 4 предназначен для усиления, аналого-цифрового преобразования и фильтрации GPS сигналов (на чертеже не показано).
Первый термокомпенсированный кварцевый генератор (ТСХО - Temperature Compensated Crystal Oscillators) 5, предназначенный для формирования тактовых частот для радиочастотных блоков ГЛОНАСС 3 и GPS 4, соединен с радиочастотным блоком ГЛОНАСС 3 и радиочастотным блоком GPS 4. Радиочастотные блоки ГЛОНАСС 3 и GPS 4 подключаются к коррелятору 6, который предназначен для корреляционной обработки шумоподобных навигационных сигналов, синхронных со шкалой единого времени и решения навигационной задачи.
Необходимо отметить, что коррелятор 6 может содержать 12, 16, 24 или N-каналов для корреляционной обработки шумоподобных навигационных сигналов (на чертеже не показано). Коррелятор 6 подключен к процессору 7. Так же к процессору 7 подключена память 8, предназначенная для хранения данных, часы реального времени (RTC) 9 и порт ввода-вывода 11. Кроме того, к коррелятору 6 и процессору 7 присоединен второй ТСХО 10, предназначенный для формирования тактовой частоты часов реального времени 9. К процессору 7 подключен порт ввода-вывода 11, который предназначен для подключения внешних устройств и ввода-вывода данных. СНП 1 работает следующим образом.
Сигналы от двух СНС ГЛОНАСС (Россия) и GPS(CUIA) 14 непрерывно поступают на совмещенную ГЛОНАСС/GPS антенну 13, далее
через разъем подключения антенны 12 поступают на разветвитель сигналов 2.
Разветвитель сигналов 2 разветвляет сигналы ГЛОНАСС и GPS на радиочастотные блоки ГЛОНАСС 3 и GPS 4. Радиочастотный блок ГЛОНАСС 3 предназначен для приема сигналов СНС ГЛОНАСС (частотные литеры - от -7 до +12, сигнал стандартной точности), радиочастотный блок GPS 4 предназначен для приема СНС GPS (сигнал С/А). В радиочастотном блоке ГЛОНАСС 3 производится фильтрация и усиление входных сигналов, а также их оцифровка (на чертеже не показано). Выходные сигналы блока ГЛОНАСС 3 (на чертеже не показано) - это бинарные отсчеты сигналов второй промежуточной частоты (ПЧ) СНС ГЛОНАСС. В радиочастотном блоке GPS 4 производится фильтрация и усиление входных сигналов, а также их оцифровка (на чертеже не показано). Выходные сигналы блока GPS 4 (на чертеже не показано) - это бинарные отсчеты сигналов второй промежуточной частоты (ПЧ) СНС GPS. Радиочастотные блоки ГЛОНАСС 3 и GPS 4 построены по схеме супергетеродинного приемника с двойным преобразованием частоты (на чертеже не показано). Частоты гетеродинов формируются из частоты первого ТСХО 5.
Необходимо отметить, что коррелятор 6 имеет тактовую частоту, которая формируется вторым ТСХО 10, коррелятор 6 может содержать 12, 16, 24 или N-корреляционных каналов (на чертеже не показано). В процессоре 7 производится дальнейшая (аппаратная и программная) цифровая обработка сигналов ГЛОНАСС/GPS и решение навигационной задачи. Процессор 7 может выполнять операцию по изменению данных на заданную величину среднеквадратичного отклонения координат по программе, которая может быть записана в память 8. Кроме того, процессор 7 имеет возможность шифрования координат геодезических пунктов полученных от СНС ГЛОНАСС и GPS 14.
После решения навигационной задачи процессор 7 передает координаты геодезических пунктов в порт ввода-вывода 11. СНП 1 имеет возможность подключения различных датчиков и устройств (на чертеже не показано), которые могут быть подключены к порту ввода-вывода 11. Порт ввода-вывода 11 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 может находится в порте ввода - вывода 11.
Впервые в СНП 1 были использованы микросхемы радиочастотного блока ГЛОНАСС 3 и GPS 4, разветвителя сигналов 2 для одновременного приема спутниковых навигационных сигналов от двух СНС ГЛОНАСС (Россия) и GPS (США) 14, тем самым решая задачу полезной модели: уменьшение габаритов и понижение энергопотребления и перераспределения функций между элементами приемника. Так, например, габариты СНП 1 составляют 30 мм × 40 мм, а энергопотребление СНП 1 составляет около 300 мВт, что в два раза меньше прототипа.
Изготовление СНП 1 осуществляют из типовых радиоэлектронных компонентов. Например, 24 канальный коррелятор 6 может быть изготовлен на основе микросхемы ПЛИС (FPGA) компании ALTERA, процессор 7 может быть на основе цифрового сигнального процессора TMS320VC5510A компании TI, радиочастотные блоки ГЛОНАСС 3 и GPS 4 - на основе микросхем МАХ2769 компании MAXIM. Остальные элементы СНП 1 - стандартные радиоэлектронные компоненты широко используемых в промышленности.
Опытный образец СНП 1 был изготовлен. Испытания показали, что он соответствует тем требованиям, которые предъявляются к требованиям средств измерений СНП ГЛОНАСС/GPS.
1. Двухсистемный спутниковый навигационный приемник (СНП), содержащий антенный разъем, предназначенный для подключения совмещенной ГЛОНАСС/GPS антенны, порт ввода-вывода, предназначенный для подключения внешних устройств и ввода-вывода данных, N-канальный коррелятор, предназначенный для корреляционной обработки навигационных сигналов ГЛОНАСС и GPS, процессор, предназначенный для поиска ГЛОНАСС и GPS сигналов, слежения за ними и решения навигационной задачи, часы реального времени (RTC - Real Time Clock), предназначенные для стабилизации частоты и измерения интервалов времени, энергонезависимая память Flash, предназначенная для записи-считывания и хранения данных, два термокомпенсированных кварцевых генератора (ТСХО - Temperature Compensated Crystal Oscillators), предназначенные для формирования тактовых частот, отличающийся тем, что содержит разветвитель сигналов, предназначенный для разветвления ГЛОНАСС и GPS сигналов, радиочастотный блок ГЛОНАСС, предназначенный для фильтрации, аналого-цифрового преобразования и усиления входных сигналов ГЛОНАСС, радиочастотный блок GPS, предназначенный для фильтрации, аналого-цифрового преобразования и усиления входных сигналов GPS, при этом первый вход антенного разъема соединен с ГЛОНАСС/GPS антенной, второй выход антенного разъема соединен с первым входом разветвителя сигналов, второй выход которого соединен с первым входом радиочастотного блока ГЛОНАСС, второй вход которого соединен с выходом первого ТСХО, третий выход радиочастотного блока ГЛОНАСС соединен с первым входом N-канального коррелятора, при этом третий выход разветвителя сигналов соединен с первым входом радиочастотного блока GPS, второй вход которого соединен с выходом первого ТСХО, третий выход радиочастотного блока GPS соединен со вторым входом N-канального коррелятора, третий вход-выход которого соединен с первым входом-выходом процессора, второй вход-выход которого соединен с энергонезависимой памятью Flash, третий вход процессора соединен с выходом RTC, четвертый вход-выход процессора соединен с входом-выходом порта ввода-вывода, при этом пятый вход процессора и четвертый вход N-канального коррелятора соответственно соединены с выходом второго ТСХО.
2. Двухсистемный спутниковый навигационный приемник по п.1, отличающийся тем, что содержит N-канальный коррелятор, выполненный на основе микросхемы ПЛИС (FPGA) или специализированной интегральной схемы (ASIC), процессор, выполненный на основе цифрового сигнального процессора (DSP) компании TI или процессора компании ARM, радиочастотные блоки ГЛОНАСС и GPS, выполненные на основе микросхем МАХ2769 компании MAXIM.
