Глонасс/gps/galileo приемник
Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано для приема навигационных сигналов от спутников ГЛОНАСС, GPS и GALILEO. Технический результат заключается в возможности одновременного приема сигналов ГЛОНАСС, GPS и GALILEO с использованием принципа одинарного преобразования частоты с помощью квадратурных смесителей, при этом обеспечив эффективное разделение сигналов ГЛОНАСС и GPS/GALILEO аналоговыми средствами, что позволяет упростить цифровую часть приемника, с обработкой принятых сигналов при помощи аппаратно реализованных блоков корреляторов ГЛОНАСС и GPS/GALILEO и процессора, а также датчиков инерциальной системы, что обеспечивает повышение точности навигации и устойчивости навигационных определений в сложных условиях приема спутниковых сигналов. Также предлагаемая структурная схема приемника позволяет максимально использовать имеющиеся большие интегральные схемы (БИС), что ведет к снижению массы, габаритов и энергопотребления устройства, а также повышает его надежность. Устройство содержит антенный разъем, малошумящий усилитель, полосовой фильтр, делитель мощности ГЛОНАСС и GPS/GALILEO радиочастотные модули, генератор опорного колебания радиочастотных модулей и СБИС, датчики инерционной системы, блоки корреляторов ГЛОНАСС и GPS/GALILEO, дециматор, принимающие оцифрованные отсчеты с выхода радиочастотных модулей, контроллер, обеспечивающий управление радиочастотными модулями, преобразователь интерфейса, универсальный асинхронный приемопередатчик, причем блоки корреляторов ГЛОНАСС и GPS/GALILEO, дециматор, контроллер, преобразователь интерфейса и универсальный асинхронный приемопередатчик реализованы аппаратно на СБИС, в качестве которой может выступать программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС/FPGA) или заказная интегральная схема (ASIC), процессор, принимающий выходные данные от блоков корреляторов, дециматора и информацию от датчиков инерционной системы и решающий навигационную задачу и передающий результаты ее решения через преобразователь интерфейса и универсальный асинхронный приемопередатчик из устройства, генератор опорного колебания процессора, флэш-ПЗУ для хранения программы процессора.
Уровень техники
Известны устройства для одновременного приема сигналов навигационных систем ГЛОНАСС и GPS. (RU2178894, RU2124214), построенные на основе двойного преобразования частоты, при этом первое преобразование частоты является общим для сигналов ГЛОНАСС и GPS, а второе преобразование частоты может являться как раздельным для сигналов ГЛОНАСС и GPS (RU2178894), так и общим (RU2124214). В случае общего второго преобразования частоты разделение сигналов ГЛОНАСС и GPS осуществляется после аналого-цифрового преобразования в цифровой части приемника.
Известно устройство для одновременного приема сигналов навигационных систем ГЛОНАСС и GPS (RU2178894), построенное на основе двойного преобразования частоты при этом первое преобразование частоты является общим для сигналов ГЛОНАСС и GPS, а второе преобразования частоты является раздельным для сигналов ГЛОНАСС и GPS. Функционально законченная часть устройства, относящаяся к преобразованиям частоты сигналов ГЛОНАСС и GPS изображена на фиг.4 данного патента и содержит входной блок, на который поступают сигналы ГЛОНАСС и GPS, выход которого соединен с входом блока первого преобразования частоты сигналов, в котором сигналы ГЛОНАСС и GPS преобразуются по частоте с помощью смесителя, на опорный вход которого поступает сигнал первой гетеродинной частоты с блока гетеродинов. Выход блока первого преобразования частоты сигналов соединен с входами первого и второго каналов второго преобразования частоты сигналов, на который поступают преобразованные на первую промежуточную частоту сигналы ГЛОНАСС и GPS. Каналы второго преобразования частоты сигналов включают в себя полосовые фильтры, при этом частота настройки полосового фильтра в первом канале второго преобразования частоты сигналов соответствует частоте сигнала GPS после первого преобразования частоты, а частота настройки полосового фильтра во втором канале второго преобразования частоты сигналов соответствует частоте сигнала ГЛОНАСС после первого преобразования частоты. Выходы полосовых фильтров соединены с блоками второго преобразования частоты сигналов, при этом на опорный вход блока второго преобразования частоты сигналов в первом канале поступает сигнал второй гетеродинной частоты, а на опорный вход блока второго преобразования частоты сигналов во втором канале поступает сигнал третьей гетеродинной частоты. При значениях первой, второй и третьей гетеродинных частот, выбранных в рассматриваемом патенте, максимальные значения частот спектров сигналов ГЛОНАСС и GPS равны 22.29 МГц и 22.17 соответственно. Каналы второго преобразования частоты содержат также аналого-цифровые преобразователи (АЦП), входы которых соединены с выходами соответствующих смесителей. Таким образом
сигналы ГЛОНАСС и GPS после второго преобразования частоты подаются каждый на свой АЦП, где переводятся в цифровую форму. Дальнейшая обработка сигналов ГЛОНАСС и GPS осуществляется в цифровой форме независимо друг от друга. Недостатком такого решения является усложнение радиочастотной части приемника, в которой необходимо иметь три преобразователя частоты и получать три различных гетеродинных частоты. Кроме того остается необходимость снятия несущей с сигналов ГЛОНАСС и GPS, осуществляемое в цифровой части, что вызывает ее усложнение.
Известно устройство для одновременного приема сигналов навигационных систем ГЛОНАСС и GPS (RU2124214), построенное на основе двойного преобразования частоты при этом как первое, так и второе преобразования частоты являются общим для сигналов ГЛОНАСС и GPS. Функционально законченная часть устройства, относящаяся к приему сигналов ГЛОНАСС и GPS в одном спутниковом диапазоне (L1 или L2) содержит последовательно соединенный входной блок усиления и фильтрации, полоса пропускания которого охватывает спектры сигналов ГЛОНАСС и GPS, смеситель, служащий для первого частотного преобразования, блок усиления и фильтрации сигналов промежуточной частоты, состоящий из усилителя и фильтра промежуточной частоты, квадратурный смеситель, синфазный выход которого соединен со входом первого фильтра низких частот (ФНЧ), а квадратурный выход соединен со входом второго ФНЧ, при этом полосы пропускания обоих ФНЧ идентичны и охватывают спектры сигналов ГЛОНАСС и GPS на выходе квадратурного смесителя. Выходы первого и второго ФНЧ соединены со входами первого и второго АЦП. Устройство также содержит формирователь сигнала гетеродинной частоты, выход которого соединен с опорным входом смесителя, служащий для первого частотного преобразования, а кроме этого - через делитель частоты «на восемь» - с опорным входом квадратурного смесителя. Устройство также содержит формирователь сигнала тактовой частоты, выход которого соединен с опорными входами первого и второго АЦП. Выбор значения гетеродинной частоты в данном устройстве осуществлен таким образом, что спектры сигналов ГЛОНАСС и GPS на выходе квадратурного детектора перекрываются [RU2124214, фиг.8]. Дальнейшее разделение сигналов ГЛОНАСС и GPS происходит в цифровой части навигационного приемника (в патенте RU2124214 не рассматривается). Недостатком такого решения является усложнение цифровой части приемника и так представляющего собой наиболее сложную и дорогостоящую часть всего приемника. Кроме того, недостаток такого решения заключается в следующем. Если один из сигналов ГЛОНАСС или GPS на входе устройства будет поражен помехой, то на выходе квадратурного детектора из-за перекрытия спектров сигналов ГЛОНАСС и GPS эта помеха также поразит другой сигнал.
Известно устройство для одновременного приема сигналов навигационных систем ГЛОНАСС и GPS. (RU2280260), построенное на основе одинарного преобразования частоты. Устройство содержит входной блок усиления и фильтрации (состоящий из последовательно соединенных полосового фильтра и усилителя), полоса пропускания которого охватывает спектры сигналов ГЛОНАСС и GPS, квадратурный смеситель, опорный вход которого соединен с выходом формирователя сигнала гетеродинной частоты, а синфазный и квадратурный выходы соединены соответственно с входами первого и второго ФНЧ, полосы пропускания которых идентичны и охватывают спектры сигналов ГЛОНАСС и GPS на выходе квадратурного смесителя. Выходы первого и второго ФНЧ соединены со входами первого и второго режекторных фильтров (РФ), полосы режекции которых идентичны и располагаются между спектрами сигналов ГЛОНАСС и GPS на выходе квадратурного смесителя, а выходы первого и второго РФ, соединены со входами первого и второго АЦП. Формирователь сигнала гетеродинной частоты выполнен в виде синтезатора частоты, при этом частота его выходного сигнала
соответствует центру частотной полосы входного сигнала GPS. На выходах первого и второго АЦП формируется цифровой квадратурный сигнал, включающих в себя как сигнал ГЛОНАСС так и сигнал GPS, при этом спектр сигнала ГЛОНАСС расположен выше по частоте чем спектр сигнала GPS. Дальнейшее разделение сигналов ГЛОНАСС и GPS происходит в цифровой части навигационного приемника (в патенте RU2280260 не рассматривается). Недостатком такого решения является усложнение цифровой части приемника. Данное устройство наиболее близко к предлагаемому и выбрано в качестве прототипа.
Раскрытие полезной модели
Предлагаемой полезной моделью решаются задачи создания устройства для одновременного приема сигналов навигационных систем ГЛОНАСС и GPS/GALILEO, реализующего как в прототипе принцип одинарного преобразования частоты с помощью квадратурных смесителей, при этом обеспечив эффективное разделение сигналов ГЛОНАСС и GPS/GALILEO аналоговыми средствами, что позволит упростить цифровую часть приемника. Другой задачей, решаемой предлагаемой полезной моделью является построение такой структурной схемы приемника, которая позволить максимально использовать имеющиеся большие интегральные схемы (БИС), как в аналоговой, так и в цифровой части приемника, что позволит снизить массу, габариты и энергопотребление устройства, а также повысить его надежность.
Сущность предлагаемой полезной модели заключается в следующем. Предлагаемое устройство, представляющее собой ГЛОНАСС/GPS/GALILEO приемник, содержит антенный разъем, соединенный с малошумящим усилителем, выход которого соединен с входом полосового фильтра, полоса пропускания которого охватывает спектры сигналов ГЛОНАСС и GPS, выход полосового фильтра соединен с входом делителя мощности входного сигнала, при этом первый выход делителя мощности входного сигнала соединен с входом радиочастотного модуля GPS/GALILEO, а второй выход делителя мощности входного сигнала соединен с входом радиочастотного модуля ГЛОНАСС. Радиочастотные модули GPS/GALILEO и ГЛОНАСС построены по идентичным схемам и включают в себя формирователь частот, квадратурный смеситель, усилитель с переменным коэффициентом усиления, аналого-цифровой преобразователь, выход которого представляет собой поток оцифрованных отсчетов.
Радиочастотный модуль выполняет преобразование входного сигнала в квадратурный сигнал путем его умножения на синусную и косинусную составляющие формирователя частот, усиление и фильтрацию квадратурного сигнала. Значения частот формирователей частот соответствуют значениям несущих, значения полос пропускания фильтров - значениям полос навигационных сигналов ГЛОНАСС и GPS или GALILEO соответственно, при этом значения полос пропускания фильтров могут меняться в процессе работы. Для формирования требуемых значений частот формирователя частот используется генератор опорных колебаний радиочастотных модулей, выход которого соединен с входами радиочастотных модулей. Выходы полосовых фильтров соединены с входами усилителей с переменным коэффициентом усиления, которые обеспечивают усиления до уровня, необходимого для работы аналого-цифровых преобразователей. Выходы данных усилителей соединены с входами аналого-цифровых преобразователей. Данные преобразователи преобразуют квадратурные составляющие сигнала в поток оцифрованных отсчетов разрядностью два бита по каждой составляющей. Частота оцифровки потока отсчетов также формируется генератором опорных колебаний радиочастотных модулей. При этом частота оцифровки потока отсчетов равняется частоте генератора опорных колебаний радиочастотных модулей. В предлагаемом
устройстве предусмотрена возможность установки значения частота оцифровки потока отсчетов 23.104 МГц. Использование данной частоты гарантирует отсутствие ее гармоник в полосе частот ГЛОНАСС/GPS.
Выход радиочастотного модуля GPS/GALILEO соединен параллельным интерфейсом с блоком корреляторов GPS/GALILEO, а выход радиочастотного модуля ГЛОНАСС соединен параллельным интерфейсом с блоком корреляторов ГЛОНАСС. Блоки корреляторов GPS/GALILEO и ГЛОНАСС реализованы аппаратно для ускорения работы. Каждый из блоков содержит 12 корреляторов. Также выходы обоих радиочастотных модулей соединены с входом дециматора, реализованым аппаратно для ускорения работы. Дециматор служит для понижения частоты следования сэмплов, которые используются в режиме поиска для реализации быстрого поиска на основе быстрого преобразования Фурье. Выход синхронизации одного из радиочастотных модулей (например GPS/GALILEO, как показано на чертеже) соединен с входами синхронизации блоков корреляторов и дециматора. Выходная частота дециматора может составлять 2.048 МГц или 2.888 МГц. Выходы блоков корреляторов GPS/GALILEO и ГЛОНАСС и дециматора соединены с входом преобразователя интерфейса, а выход преобразователя интерфейса соединен с процессором. Устройство также содержит контроллер, соединенный с управляющими входами радиочастотных модулей по шине разрядностью 3 бита и с преобразователем интерфейса. Устройство также содержит универсальный асинхронный приемопередатчик (УАПП) стандарта RS-232, соединенный с преобразователем интерфейса и имеющий выход из устройства для вывода наружу результатов работы устройства. Преобразователь интерфейса предназначен для преобразования параллельных данных в последовательные. При этом УАПП, дециматор, блоки корреляторов и контроллер подключены к преобразователю интерфейса параллельно, а процессор последовательно. Генератор опорных колебаний радиочастотных модулей также соединен с УАПП, контроллером и преобразователем интерфейса и обеспечивает их тактовую синхронизацию. УАПП, дециматор, блоки корреляторов, контроллер и преобразователем интерфейса реализованы в виде сверхбольшой интегральной схемы (СБИС), в качестве которой может использоваться программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС/FPGA) или заказной кристалл (ASIC). Соответственно, генератор опорного колебания радиочастотных модулей на чертеже обозначен как генератор опорного колебания радиочастотных модулей и СБИС.
Устройство также содержит генератор опорного колебания процессора, соединенный с процессором и флэш-ПЗУ, соединенный с процессором. Процессор, выполняет обработку результатов, полученных блоком корреляторов GPS, и решает навигационную задачу. Процессор может быть выполнен либо как отдельный компонент, либо в виде встроенного процессорного ядра в СБИС.
Устройство также содержит датчики инерциальной системы, выполненной на интегральных акселерометрах и гироскопах, которые опрашиваются процессором. Дополнительно процессор осуществляет управление радиочастотными модулями:
выполняет их инициализацию, регулирует полосу пропускания фильтров, коэффициенты усиления усилителей. Программа для процессора загружается из флэш-ПЗУ.
Краткое описание чертежа
На рисунке приведена схема предлагаемой полезной модели. ГЛОНАСС/GPS/GALILEO приемник содержит антенный разъем 1, малошумящий усилитель 2, делитель мощности входного сигнала 3, полосовой фильтр 4, генератор опорного колебания радиочастотных модулей и СБИС 5, радиочастотный модули GPS/GALILEO 6 и ГЛОНАСС 7, СБИС 8, включающая в себя УАПП RS-232 9, дециматор 10, блок корреляторов GPS/GALILEO 11,
блок корреляторов ГЛОНАСС 12, преобразователь интерфейса 13, контроллер 14, далее датчики инерциальной системы 15, флэш-ПЗУ 16. процессор 17, генератор опорного колебания процессора 18.
Осуществление полезной модели
ГЛОНАСС/GPS/GALILEO приемник работает следующим образом.
Входной навигационный сигнал через антенный разъем поступает на малошумящий усилитель, где подвергается усилению, затем поступает на полосовой фильтр, который удаляет из сигнала все помехи, лежащие за пределами частотных полос сигналов GPS/GALILEO и ГЛОНАСС, после чего входной сигнал поступает на делитель мощности входного сигнала, где разделяется на два сигнала. Каждый из сигналов поступает на вход радиочастотного модуля, в котором осуществляется формирование квадратурного сигнала путем умножения входного сигнала радиочастотного модуля на синусную и косинусную компоненты сигнала формирователя частот. Квадратурный сигнал фильтруется фильтром и усиливается усилителем с переменным коэффициентом усиления до уровня, необходимого для работы аналого-цифрового преобразователя. Усиленный сигнал подается на вход двухканального аналого-цифрового преобразователя, на выходе которого получаются два потока оцифрованных отсчетов, соответствующих составляющим квадратурного сигнала. Разрядность каждой составляющей - 2 бита. Таким образом, разрядность выходных данных каждого радиочастотного модуля составляет 4 бита. Выходные данные радиочастотного модуля ГЛОНАСС передаются в блок корреляторов ГЛОНАСС, а выходные данные радиочастотного модуля GPS/GALILEO передаются в блок корреляторов GPS/GALILEO. Выходные данные блоков корреляторов передаются в преобразователь интерфейса, где преобразуются в последовательный формат и передаются в процессор. Также выходные данные радиочастотного модуля ГЛОНАСС и радиочастотного модуля GPS/GALILEO передаются в дециматор, в котором частоты оцифровки потока отсчетов снижается до значения 2.048 МГц или 2.888 МГц. Выходные данные дециматора передаются в преобразователь интерфейса, где преобразуются в последовательный формат и передаются в процессор. Также в преобразователь интерфейса по интерфейсу I2С передаются данные с датчиков инерциальной системы, выполненной на интегральных акселерометрах и гироскопах. Затем эти данные преобразуются в последовательный формат и передаются в процессор. Процессор в случае необходимости выполняет дополнительное снижение частоты оцифровки потока отсчетов с 2.888 МГц до 2.048 МГц, после чего отсчеты используются для быстрого поиска на основе быстрого преобразования Фурье. В свою очередь результаты работы блоков корреляторов используются для реализации слежения, декодирования и расчета навигационных данных. Также для расчета навигационных данных процессором используются данные с датчиков инерциальной системы. Результаты решения передаются процессором через преобразователь интерфейса в УАПП, который осуществляет вывод этих данных из устройства. Контроллер по 3-битной шине управления осуществляет задание режимов и управление работой радиочастотных модулей. Опорные колебания, необходимые для работы процессора берутся от генератора опорного колебания процессора. Опорные колебания, необходимые для работы радиочастотных модулей и блоков, входящих в состав СБИС берутся от генератора опорного колебания радиочастотных модулей и СБИС. Начальная загрузка процессора осуществляется из флэш-ПЗУ по тому же последовательному интерфейсу.
1. ГЛОНАСС/GPS/GALILEO приемник, содержащий антенный разъем, соединенный с малошумящим усилителем, полосовой фильтр, радиочастотный модуль, включающий в себя формирователь частот, квадратурный смеситель, усилитель с переменным коэффициентом усиления, аналого-цифровой преобразователь, выход которого представляет собой поток оцифрованных отсчетов в виде синфазной и квадратурной составляющих, блок корреляторов, при этом выход радиочастотного модуля соединен параллельным интерфейсом с блоком корреляторов, процессор, выполняющий обработку результатов, полученных блоком корреляторов и решающий навигационную задачу, содержащий генератор опорного колебания процессора, соединенный с процессором, содержащий флэш-ПЗУ, соединенное с процессором, отличающийся тем, что добавлены делитель мощности входного сигнала, второй радиочастотный модуль, аналогичный первому радиочастотному модулю, при этом первый радиочастотный модуль настроен на прием сигналов GPS/GALILEO, а второй радиочастотный модуль настроен на прием ГЛОНАСС сигнала, при этом выход малошумящего усилителя соединен со входом полосового фильтра, выход полосового фильтра соединен со входом делителя мощности, первый выход делителя мощности соединен с входом первого радиочастотного модуля (радиочастотного модуля GPS/GALILEO), а второй выход делителя мощности с входом второго радиочастотного модуля (радиочастотного модуля ГЛОНАСС), второй блок корреляторов, при этом выход второго радиочастотного модуля соединен параллельным интерфейсом с вторым блоком корреляторов, при этом первый блок корреляторов предназначен для обработки сигнала GPS/GALILEO (блок корреляторов GPS/GALILEO), а второй блок корреляторов предназначен для обработки сигнала ГЛОНАСС (блок корреляторов ГЛОНАСС), дециматор, два входа которого соединены с выходами двух радиочастотных модулей, универсальный асинхронный приемопередатчик (УАПП) RS-232, преобразователь интерфейса, контроллер, при этом блок корреляторов GPS/GALILEO, блок корреляторов ГЛОНАСС выполнены аппаратно для ускорения их работы, блок корреляторов GPS/GALILEO, блок корреляторов ГЛОНАСС, дециматор, универсальный асинхронный приемопередатчик (УАПП) RS-232, преобразователь интерфейса и контроллер реализованы на сверхбольшой интегральной схеме (СБИС), в частности на программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС/FPGA) или заказной микросхеме (ASIC), генератор опорного колебания радиочастотных модулей и СБИС, соединенный с радиочастотным модулем GPS/GALILEO, радиочастотным модулем ГЛОНАСС, УАПП RS-232, преобразователем интерфейса и контроллером, также выход синхронизации одного из радиочастотных модулей соединен с входами синхронизации блока корреляторов GPS/GALILEO, блока корреляторов ГЛОНАСС, дециматора, также выходы блока корреляторов GPS/GALILEO, блока корреляторов ГЛОНАСС, дециматора соединены с преобразователем интерфейса, контроллер и УАПП RS-232 соединены с преобразователем интерфейса с возможностью двустороннего обмена данными, преобразователь интерфейса соединен с процессором, а УАПП RS-232 имеет выход наружу из приемника, контроллер соединен с радиочастотными модулями и обеспечивает управление ими, при этом второй радиочастотный модуль аналогично первому радиочастотному модулю формирует на своем выходе оцифрованные отсчеты в виде синфазной и квадратурной составляющих, при этом разрядность синфазной и квадратурной составляющих в каждом радиочастотном модуле составляет два бита, тем, что процессор осуществляет управление радиочастотными модулями, в том числе выполняет их инициализацию и регулирует коэффициенты усиления усилителей.
2. ГЛОНАСС/GPS/GALILEO приемник по п.1, отличающийся тем, что частота генератора опорного колебания радиочастотных модулей и СБИС выбрана таким образом, чтобы гарантировать отсутствие ее гармоник в полосе частот ГЛОНАСС/GPS/GALILEO, например 23.104 МГц.
3. ГЛОНАСС/GPS/GALILEO приемник по п.1, отличающийся тем, что добавлены датчики инерциальной системы, выполненной на интегральных акселерометрах, соединенные с преобразователем интерфейса, через который они опрашиваются процессором, так что информация с инерциальных датчиков передается в процессор.
4. ГЛОНАСС/GPS/GALILEO приемник по п.3, отличающийся тем, что для реализации инерциальной системы помимо акселерометров добавлены интегральные гироскопы, соединенные с преобразователем интерфейса, через который они опрашиваются процессором, так что информация с инерциальных датчиков передается в процессор.
5. ГЛОНАСС/GPS/GALILEO приемник по п.1, отличающийся тем, что процессор выполнен в виде встроенного процессорного ядра в СБИС.
