УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРИЕМА И ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ ГЛОБАЛЬНЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СПУТНИКОВЫХ СИСТЕМ

Полезная модель относится к области средств радионавигации и может быть использована в навигационных приемниках, осуществляющих навигационные измерения по сигналам глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) ГЛОНАСС, GPS и GALILEO.
Сигналы ГНСС (навигационные сигналы), излучаемые в эфир соответствующими передатчиками, размещенными на навигационных спутниках, представляют собой шумоподобные (псевдошумовые) радиосигналы, фазы несущих частот которых модулированы псевдослучайными бинарными периодическими последовательностями (кодовыми последовательностями), позволяющими на приемной стороне идентифицировать и разделять сигналы разных передатчиков, см., например, книгу [1] - B.C. Шебшаевич, П.П. Дмитриев, Н.В. Иванцевич и др. / Сетевые спутниковые радионавигационные системы // 2-е изд., под ред. проф. B.C. Шебшаевича // М., Радио и связь, 1993, С. 28…31, 61…72. На основании принятых сигналов на приемной стороне осуществляются навигационные измерения. В основу этих измерений положены измерения псевдодальностей до соответствующих передатчиков, которые, в свою очередь, заключаются в определении запаздываний, возникающих в процессе распространения навигационных сигналов от передатчиков до приемника. При этом используются методы корреляционной обработки, основанные на сравнении кодовых последовательностей, относящихся к принятым навигационным сигналам, с их локальными, сдвигаемыми по времени копиями, формируемыми в приемных устройствах.
Для повышения точности и надежности навигационных измерений навигационные приемники выполняются с обеспечением возможности работы одновременно с несколькими ГНСС, например как это осуществлено в устройствах, представленных в патентах: [2] - RU 2167431 С2, G01S 5/14, 20.05.2001, [3] - RU 2178894 CI, G01S 5/14, 27.01.2002, работающих одновременно по сигналам ГНСС ГЛОНАСС и GPS в частотном диапазоне L1.
Обобщенная структурная схема устройств, представленных в [2] и [3], содержит блок приема и частотного преобразования сигналов, блок корреляционной обработки, представляющий собой N канальный цифровой коррелятор, связанный с блоком приема и частотного преобразования сигналов, а также решающий блок, представляющий собой навигационный вычислитель, связанный с N канальным цифровым коррелятором. Блок приема и частотного преобразования сигналов осуществляет усиление принимаемых сигналов ГЛОНАСС и GPS до нужного уровня, разделение их по своим частотным поддиапазонам, фильтрацию и частотное преобразование (перенос спектра сигналов на промежуточную частоту). В N канальном цифровом корреляторе осуществляется параллельная обработка сигналов выбранных спутников из обеих ГНСС и определяются псевдодальности до каждого из них, а также интегральные псевдодоплеровские сдвиги частот каждого из обрабатываемых сигналов. Эти данные поступают в навигационный вычислитель, который осуществляет навигационные измерения, выдавая потребителю информацию о местоположении, векторе скорости движения, смещении шкалы времени и частоты используемого опорного генератора.
Однако возможности этих устройств ограничены использованием только двух ГНСС (ГЛОНАСС и GPS) только одного частотного диапазона (L1), в них отсутствуют технические возможности работы с расширенным кругом ГНСС и расширенным набором частотных диапазонов.
В качестве прототипа заявляемой полезной модели принято устройство для приема и обработки сигналов ГНСС, представленное в патенте [4] - RU 2146378 С1, G01S 5/14, 10.03.2000, работающее одновременно по сигналам ГЛОНАСС и GPS в частотном диапазоне L1.
Устройство, принятое в качестве прототипа, содержит блок приема и частотного преобразования сигналов, связанный с ним блок корреляционной обработки, а также связанный с блоком корреляционной обработки решающий блок.
Блок приема и частотного преобразования сигналов содержит средства, обеспечивающие усиление принимаемых сигналов ГЛОНАСС и GPS до нужного уровня, разделение сигналов по своим частотным поддиапазонам, фильтрацию сигналов от помех, преобразование по частоте (перенос спектра вниз по частоте) и преобразование к виду, пригодному для последующей цифровой обработке в блоке корреляционной обработки.
Блок корреляционной обработки содержит N идентичных по структуре каналов корреляционной обработки, в которых осуществляется параллельная обработка сигналов выбранных навигационных спутников с получением радионавигационных параметров - данных о запаздываниях, возникающих в процессе распространения навигационных сигналов от соответствующих навигационных спутников до приемного устройства, данных об интегральных псевдодоплеровских сдвигах частот каждого из обрабатываемых сигналов, а также служебной информации.
Решающий блок содержит вычислитель (процессор) и средства интерфейса, связывающие процессор со всеми каналами блока корреляционной обработки, а также с периферийными средствами, например со средствами управления и отображения получаемых данных. Процессор осуществляет управление каналами корреляционной обработки, настраивает их на выбранный навигационный спутник выбранной ГНСС, получает поступающие от каналов данные о псевдодальностях по отдельным навигационным спутникам, совместно их обрабатывает и формирует выходные навигационные данные, несущие информацию о местоположении, векторе скорости движения, смещении шкалы времени устройства и частоты используемого опорного генератора.
Особенностью устройства-прототипа является сосредоточенная структура приема и обработки, в которой один блок приема и частотного преобразования сигналов обеспечивает прием и преобразование всей группы используемых сигналов, а каждый из каналов блока корреляционной обработки способен работать с любым из этих сигналов, что обеспечивается соответствующей настройкой каналов под действием управляющих команд процессора.
Такая сосредоточенность структуры с одновременной универсальностью каналов корреляционной обработки позволяет минимизировать аппаратные затраты при приемлемом уровне сложности каналов корреляционной обработки и программного обеспечения процессора. Однако этот эффект обеспечивается только при определенном, достаточно узком, наборе обрабатываемых сигналов, например сигналов только ГЛОНАСС и GPS только одного частотного диапазона. Попытка увеличения числа используемых ГНСС и частотных диапазонов в рамках структуры устройства-прототипа приводит к чрезмерному усложнению составляющих его элементов, в результате чего устройство становится практически нереализуемым в рамках реальных конструктивных и технологических ограничений.
Техническим результатом, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, является создание устройства для приема и обработки сигналов ГНСС, в котором обеспечивается возможность работы с сигналами трех ГНСС - ГЛОНАСС, GPS, GALILEO - в трех частотных диапазонах LI, L2, L3. Результат достигается за счет применения рассредоточенной структуры на основе типовых функциональных блоков, обеспечивающих конструктивное и технологическое упрощение устройства.
Сущность полезной модели заключается в следующем. Устройство для приема и обработки сигналов ГНСС содержит первый блок приема и частотного преобразования сигналов, предназначенный для приема и частотного преобразования первой группы сигналов ГНСС, первый блок корреляционной обработки и связанный с ним первый решающий блок. В отличие от прототипа, устройство дополнительно содержит второй и третий блоки приема и частотного преобразования сигналов, предназначенные для приема и частотного преобразования второй и третьей групп сигналов ГНСС, второй блок корреляционной обработки и связанный с ним второй решающий блок, а также третий блок корреляционной обработки и связанный с ним третий решающий блок. Первый, второй и третий решающие блоки связаны между собой шиной обмена данными, а информационный выход третьего решающего блока образует информационный выход устройства. Первый блок приема и частотного преобразования сигналов выполнен с обеспечением возможности приема и частотного преобразования группы сигналов ГЛОНАСС, GPS и GALILEO частотного диапазона L1, его первый выход является выходом преобразованных сигналов ГЛОНАСС данного частотного диапазона, а второй выход - выходом преобразованного группового сигнала GPS и GALILEO данного частотного диапазона. Второй блок приема и частотного преобразования сигналов выполнен с обеспечением возможности приема и частотного преобразования группы сигналов ГЛОНАСС и GPS частотного диапазона L2, его первый выход является выходом преобразованных сигналов ГЛОНАСС данного частотного диапазона, а второй выход - выходом преобразованных сигналов GPS данного частотного диапазона. Третий блок приема и частотного преобразования сигналов выполнен с обеспечением возможности приема и частотного преобразования группы сигналов ГЛОНАСС, GPS и GALILEO частотного диапазона L3, его первый выход является выходом преобразованного группового сигнала ГЛОНАСС данного частотного диапазона и GALILEO частотного поддиапазона E5b, а второй выход - выходом преобразованного группового сигнала GPS данного частотного диапазона и GALILEO частотного поддиапазона Е5а. Первый блок корреляционной обработки выполнен с обеспечение возможности обработки сигналов ГЛОНАСС частотных диапазонов LI, L2 и L3, его первый вход связан с первым выходом первого блока приема и частотного преобразования сигналов, второй вход связан с первым выходом второго блока приема и частотного преобразования сигналов, а третий вход связан с первым выходом третьего блока приема и частотного преобразования сигналов. Второй блок корреляционной обработки выполнен с обеспечением возможности обработки сигналов GPS частотных диапазонов LI, L2 и L3, его первый вход связан со вторым выходом первого блока приема и частотного преобразования сигналов, второй вход связан со вторым выходом второго блока приема и частотного преобразования сигналов, а третий вход связан со вторым выходом третьего блока приема и частотного преобразования сигналов. Третий блок корреляционной обработки выполнен с обеспечение возможности обработки сигналов GALILEO частотных диапазонов L1 и L3, его первый вход связан со вторым выходом первого блока приема и частотного преобразования сигналов, а второй и третий входы связаны, соответственно, с первым и вторым выходами третьего блока приема и частотного преобразования сигналов. При этом первый решающий блок выполнен с обеспечением возможности формирования частного навигационного решения по группе сигналов ГЛОНАСС, второй решающий блок выполнен с обеспечением возможности формирования частного навигационного решения по группе сигналов GPS, а третий решающий блок выполнен с обеспечением возможности формирования частного навигационного решения по группе сигналов GALILEO, а также общего навигационного решения по всем группам сигналов ГЛОНАСС, GPS и GALILEO.
Сущность полезной модели и возможность ее осуществления поясняются представленной на фигуре структурной схемой заявляемого устройства для приема и обработки сигналов ГНСС.
Заявляемое устройство для приема и обработки сигналов ГНСС содержит первый 1, второй 2 и третий 3 блоки приема и частотного преобразования сигналов.
Первый блок 1 приема и частотного преобразования сигналов выполнен с обеспечением возможности приема и частотного преобразования первой группы сигналов ГНСС, а именно, группы сигналов ГЛОНАСС, GPS и GALILEO первого частотного диапазона L1: сигналов ГЛОНАСС частотного поддиапазона 1596-1607 МГц и сигналов GPS и GALILEO частотного поддиапазона 1575,42±4 МГц. При этом первый выход блока 1 является выходом преобразованных сигналов ГЛОНАСС данного частотного диапазона, а второй выход - выходом преобразованного группового сигнала GPS и GALILEO данного частотного диапазона.
Второй блок 2 приема и частотного преобразования сигналов выполнен с обеспечением возможности приема и частотного преобразования второй группы сигналов ГНСС, а именно, группы сигналов ГЛОНАСС и GPS второго частотного диапазона L2: сигналов ГЛОНАСС частотного поддиапазона 1241-1251 МГц и сигналов GPS частотного поддиапазона 1227,6±4 МГц. При этом первый выход блока 2 является выходом преобразованных сигналов ГЛОНАСС данного частотного диапазона, а второй выход - выходом преобразованных сигналов GPS данного частотного диапазона.
Третий блок 3 приема и частотного преобразования сигналов выполнен с обеспечением возможности приема и частотного преобразования третьей группы сигналов ГНСС, а именно, группы сигналов ГЛОНАСС, GPS и GALILEO частотного диапазона L3: сигналов ГЛОНАСС частотного поддиапазона 1202,025±10,23 МГц, сигналов GPS частотного поддиапазона 1176,45±10,23 МГц, а также сигналов GALILEO частотных поддиапазонов 1176,45±10,23 МГц (Е5а) и 1207,14±10,23 МГц (E5b). При этом первый выход блока 3 является выходом преобразованного группового сигнала ГЛОНАСС данного частотного диапазона и GALILEO частотного поддиапазона E5b, а второй выход - выходом преобразованного группового сигнала GPS данного частотного диапазона и GALILEO частотного поддиапазона Е5а.
Устройство также содержит первый блок 4 корреляционной обработки и связанный с ним первый решающий блок 5, второй блок 6 корреляционной обработки и связанный с ним второй решающий блок 7, а также третий блок 8 корреляционной обработки и связанный с ним третий решающий блок 9.
Решающие блоки 5, 7, 9 содержат процессоры с оперативной и постоянной памятью, специализированным программным обеспечением и средствами интерфейса.
Решающие блоки 5, 7 и 9 связаны между собой шиной обмена данными.
Информационный выход решающего блока 9 образует информационный выход устройства.
Первый блок 4 корреляционной обработки выполнен с обеспечение возможности обработки сигналов ГЛОНАСС частотных диапазонов L1, L2 и L3, его первый вход связан с первым выходом первого блока 1 приема и частотного преобразования сигналов, второй вход связан с первым выходом второго блока 2 приема и частотного преобразования сигналов, а третий вход связан с первым выходом третьего блока 3 приема и частотного преобразования сигналов. Связанный с блоком 4 корреляционной обработки решающий блок 5 служит для управления работой блока 4 и формирования частного навигационного решения по группе сигналов ГЛОНАСС. В совокупности блок 4 корреляционной обработки и связанный с ним решающий блок 5 образуют блок 10 обработки сигналов ГЛОНАСС.
Второй блок 6 корреляционной обработки выполнен с обеспечение возможности обработки сигналов GPS частотных диапазонов L1, L2 и L3, его первый вход связан со вторым выходом первого блока 1 приема и частотного преобразования сигналов, второй вход связан со вторым выходом второго блока 2 приема и частотного преобразования сигналов, а третий вход связан со вторым выходом третьего блока 3 приема и частотного преобразования сигналов. Связанный с блоком 6 корреляционной обработки решающий блок 7 предназначен для управления работой блока 6 и формирования частного навигационного решения по группе сигналов GPS. В совокупности блок 6 корреляционной обработки и связанный с ним решающий блок 7 образуют блок 11 обработки сигналов GPS.
Третий блок 8 корреляционной обработки выполнен с обеспечение возможности обработки сигналов GALILEO частотных диапазонов L1 и L3, его первый вход связан со вторым выходом первого блока 1 приема и частотного преобразования сигналов, а второй и третий входы связаны, соответственно, с первым и вторым выходами третьего блока 3 приема и частотного преобразования сигналов. Связанный с блоком 8 корреляционной обработки решающий блок 9 обеспечивает управление работой блока 8 и формирование частного навигационного решения по группе сигналов GALILEO. В совокупности блок 8 корреляционной обработки и связанный с ним решающий блок 9 образуют блок 12 обработки сигналов GALILEO.
Решающий блок 9, помимо указанной функции по управлению работой блока 8 и формированию частного навигационного решения по группе сигналов GALILEO, также выполняет функцию общего навигационного процессора для всех обрабатываемых в устройстве сигналов ГЛОНАСС, GPS и GALILEO. Для этого используются незадействованные в процессах обработки сигналов GALILEO вычислительные ресурсы решающего блока 9.
Блоки 1, 2, 3 приема и частотного преобразования сигналов могут быть реализованы по типовой схеме приема, частотного разделения и гетеродинного преобразования сигналов ГНСС, например аналогично схеме, представленной в патенте [5] - RU 2145422 C1, G01S 1/00, G01S 1/04, G01S 1/20, Н04В 1/06, 10.02.2000 (фиг. 2). Конструктивно блоки 1, 2, 3 могут быть выполнены в виде специализированных больших интегральных схем (СБИС), например, аналогично СБИС, структурная схема которой представлена в патенте [6] - RU 2256936 C1, G01S 5/14, Н04В 1/26, 20.07.2005 (фиг. 1)
Блоки 4, 6, 8 корреляционной обработки могут быть реализованы по типовой схеме многоканального коррелятора, осуществляющего параллельную обработку сигналов нескольких навигационных спутников, например аналогично схеме, представленной в патентах: [2, фиг. 1, 3, блоки 2, 3], [4, фиг. 1, 4, блоки 2, 3], а также в патенте [7] - RU 2310212 C1, G01S 5/14, Н04В 7/185, 10.11.2007 (фиг. 1). При этом количество каналов корреляционной обработки в каждом из блоков 4, 6, 8 определяется задаваемым потенциально возможным количеством одновременно обрабатываемых сигналов.
Конструктивно блоки 4, 6, 8 корреляционной обработки и решающие блоки 5, 7, 9 могут выполняться в виде индивидуальных СБИС. Возможно попарное объединение блоков 4 и 5, 6 и 7, 8 и 9 в рамках соответствующих СБИС, реализующих блоки 10, 11 и 12.
В такой распределенной структуре заявляемого устройства обеспечивается частотная близость групповых сигналов, преобразуемых в блоках 1, 2 и 3, и системная близость сигналов, обрабатываемых в блоках 4, 6 и 8. Это позволяет существенно упростить конструктивное и технологическое выполнение устройства, использовать стандартизированные узлы для реализации блоков 1, 2, 3, 4, 6, 8 и упростить программное обеспечение решающих блоков 5, 7, 9.
Заявляемое устройство для приема и обработки сигналов ГНСС работает следующим образом.
На входы блоков 1, 2, 3 приема и частотного преобразования сигналов от соответствующих приемных антенн, являющихся внешними элементами по отношению к заявляемому устройству, поступает принятый из эфира групповой сигнал, включающий сигналы ГЛОНАСС, GPS и GALILEO частотного диапазона L1, сигналы ГЛОНАСС и GPS частотного диапазона L2, а также сигналы ГЛОНАСС, GPS и GALILEO частотного диапазона L3. В каждом из блоков 1, 2, 3 из всей группы сигналов с помощью соответствующих фильтров выделяются определенные частотные составляющие. Так, в блоке 1 происходит выделение сигналов ГНСС первого частотного диапазона LI, а именно, сигналов ГЛОНАСС частотного поддиапазона 1596-1607 МГц и группового сигнала, включающего сигналы GPS и GALILEO частотного поддиапазона 1575,42±4 МГц. В блоке 2 происходит выделение сигналов ГНСС второго частотного диапазона L2, а именно, сигналов ГЛОНАСС частотного поддиапазона 1241-1251 МГц и сигналов GPS частотного поддиапазона 1227,6±4 МГц. В блоке 3 происходит выделение сигналов ГНСС третьего частотного диапазона L3, а именно, группового сигнала, включающего сигналы ГЛОНАСС частотного поддиапазона 1202,025±10,23 МГц и GALILEO частотного поддиапазона 1207,14±10,23 МГц (E5b), и группового сигнала, включающего сигналы GPS частотного поддиапазона 1176,45±10,23 МГц и GALILEO частотного поддиапазона 1176,45±10,23 МГц (Е5а). Далее выделенные сигналы усиливаются, фильтруются, преобразуются по частоте (с переносом спектра вниз по частоте), а также преобразуются к виду, пригодному для последующей цифровой обработки в блоках 4, 6, 8 корреляционной обработки.
Выходные сигналы блоков 1, 2, 3 распределяются по соответствующим входам блоков 4, 6, 8 корреляционной обработки.
Снимаемый с первого выхода блока 1 преобразованный сигнал ГЛОНАСС частотного диапазона L1 (поддиапазон 1596-1607 МГц) поступает на первый вход блока 4 корреляционной обработки.
Снимаемый со второго выхода блока 1 преобразованный групповой сигнал GPS и GALILEO частотного диапазона L1 (поддиапазон 1575,42±4 МГц) поступает на первые входы блоков 6 и 8 корреляционной обработки.
Снимаемый с первого выхода блока 2 преобразованный сигнал ГЛОНАСС частотного диапазона L2 (поддиапазон 1241-1251 МГц) поступает на второй вход блока 4 корреляционной обработки.
Снимаемый со второго выхода блока 2 преобразованный сигнал GPS частотного диапазона L2 (поддиапазон 1227,6±4 МГц) поступает на второй вход блока 6 корреляционной обработки.
Снимаемый с первого выхода блока 3 преобразованный групповой сигнал ГЛОНАСС и GALILEO частотного диапазона L3 (поддиапазоны 1202,025±10,23 МГц и 1207,14±10,23 МГц «E5b»), поступает на третий вход блока 4 корреляционной обработки и второй вход блока 8 корреляционной обработки.
Снимаемый со второго выхода блока 3 преобразованный групповой сигнал GPS и GALILEO частотного диапазона L3 (поддиапазоны 1176,45±10,23 МГц и 1176,45±10,23 МГц «Е5а»), поступает на третий вход блока 6 корреляционной обработки и третий вход блока 8 корреляционной обработки.
В блоке 4 корреляционной обработки происходит обработка группы принятых сигналов ГЛОНАСС частотных диапазонов LI, L2, L3 с выбором навигационных спутников и получением данных о запаздываниях и доплеровских сдвигах частот, возникающих в процессе распространения навигационных сигналов от них до заявляемого устройства, характеризующих собой соответствующие псевдодальности и псевдодо-плеровские сдвиги частот сигналов. Эти данные поступают в решающий блок 5, который осуществляет управление работой блока 4 и формирует частное навигационное решение по группе спутников ГЛОНАСС. Эти данные также поступают в решающий блок 9.
В блоке 6 корреляционной обработки происходит обработка группы принятых сигналов GPS частотных диапазонов L1, L2, L3 с выбором навигационных спутников и получением данных о запаздываниях и доплеровских сдвигах частот, возникающих в процессе распространения навигационных сигналов от них до заявляемого устройства, характеризующих собой соответствующие псевдодальности и псевдодоплеровские сдвиги частот сигналов. Эти данные поступают в решающий блок 7, который осуществляет управление работой блока 6 и формирует частное навигационное решение по группе спутников GPS. Эти данные также поступают в решающий блок 9.
В блоке 8 корреляционной обработки происходит обработка группы принятых сигналов GALILEO частотных диапазонов L1 и L3 (Е5а, E5b) с выбором навигационных спутников и получением данных о запаздываниях и доплеровских сдвигах частот, возникающих в процессе распространения навигационных сигналов от них до заявляемого устройства, характеризующих соответствующие псевдодальности и псевдодоплеровские сдвиги частот сигналов. Эти данные поступают в решающий блок 9. Решающий блок 9 осуществляет управление работой блока 8 корреляционной обработки и формирование частного навигационного решение по группе спутников GALILEO, а также формирует общее навигационное решение на основе измеренных параметров сигналов и принятой служебной информации по всем использованным спутникам всех используемых ГНСС.
Общее навигационное решение в виде выходного информационного сигнала поступает с выхода решающего блока 9 на информационный выход устройства для использования потребителем.
Таким образом, рассмотренное показывает, что заявляемая полезная модель осуществима и обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в создании устройства для приема и обработки сигналов ГНСС, в котором осуществляется возможность работы с сигналами трех ГНСС - ГЛОНАСС, GPS, GALILEO - в трех частотных диапазонах L1, L2, L3. Достигается этот результат за счет применения рассредоточенной структуры на основе типовых функциональных блоков, обеспечивающих конструктивное и технологическое упрощение устройства.
Источники информации
1. B.C. Шебшаевич, П.П. Дмитриев, Н.В. Иванцевич и др. / Сетевые спутниковые радионавигационные системы // 2-е изд., под ред. проф. B.C. Шебшаевича // М, Радио и связь, 1993.
2. RU 2167431 С2, G01S 5/14, опубл. 20.05.2001.
3. RU 2178894 C1, G01S 5/14, опубл. 27.01.2002.
4. RU 2146378 C1, G01S 5/14, опубл. 10.03.2000.
5. RU 2145422 C1, G01S 1/00, G01 S1/04, G01 S1/20, Н04В 1/06, опубл. 10.02.2000.
6. RU 2256936 C1, G01S 5/14, Н04В 1/26, опубл. 20.07.2005.
7. RU 2310212 C1, G01S 5/14, Н04В 7/185, опубл. 10.11.2007.