МНОГОКАНАЛЬНЫЙ КОРРЕЛЯТОР И ПРИЕМНИК НАВИГАЦИОННЫЙ
MULTICHANNEL CORRELATOR AND NAVIGATION RECEIVER

Предлагаемые изобретения относятся к устройствам для определения местоположения (текущих координат, высоты, скорости и времени) путем определения в одной системе координат абсолютных расстояний до нескольких разнесенных точек с известным местоположением по сигналам спутниковых радионавигационных систем (СРНС), а также приема и использования корректирующей информации геостационарных спутников для повышения точности местоопределения.
Ближайшими аналогами предлагаемых устройств являются навигационный приемник ГАЛС-001" и многоканальный коррелятор (производитель НИИМА "Прогресс", ШИЛГ.464316.001 РЭ, структурная схема приемника представлена на Фиг.1). Навигационный приемник содержит аналоговый и цифровой тракты. Навигационный сигнал с выхода антенны поступает на высокочастотный антенный вход навигационного приемника, к которому подключены последовательно соединенные малошумящий усилитель (МШУ), полосовой фильтр и первый смеситель. К выходу смесителя параллельно подключены два канала приема ГЛОНАСС и GPS сигналов, каждый из которых состоит из последовательно соединенных усилителя, полосового фильтра, смесителя и двухуровневого компаратора. Выделенные, разделенные на два уровня (ГЛОНАСС и GPS) и квантованные компараторами сигналы поступают для дальнейшей обработки в цифровой тракт приемника. На гетеродинный вход смесителей через соответствующие синтезаторы, охваченные петлей ФАПЧ от опорного генератора, подают необходимые частоты 1-го и 2-го гетеродина.
Цифровой тракт содержит многоканальный коррелятор, процессор для обработки сигналов, к которому подключено перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство (ППЗУ) и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ). Многоканальный коррелятор представляет собой специализированную логическую интегральную микросхему (ASIC - applications specific integrated circuit), в состав которой входят: 16 универсальных корреляционных каналов обработки ГЛОНАСС/GPS сигналов; сдвоенный приемопередатчик UART (universal asynchronous receiver/transmitter); формирователь секундной метки; часы реального времени (RTC - real time clock). Через каналы UART осуществляется информационный обмен с пользователем, которому сообщают навигационные параметры и всеобщее скорректированное время. При этом обнаружение и прием навигационных сигналов ведут в универсальных каналах, что требует достаточно большого времени (при «горячем» старте - до 10 сек, при «теплом» старте - до 30 сек, при «холодном» старте - до 120 сек).
Недостатками описанного устройства являются: недостаточная скорость определения навигационных параметров при «холодном», «теплом» и «горячем» старте; сложность структурной схемы, а также использование в аналоговом тракте устаревших, снятых с производства элементов.
Целью изобретения является создание многоканального коррелятора и приемника навигационного для двух различных диапазонов частот, позволяющих увеличить скорость определения навигационных параметров в СРНС (в частности, ГЛОНАСС и/или GPS) при «холодном», «теплом» и «горячем» старте приемника с использованием корректирующей информации от геостационарных спутников (в частности, SBAS (WAAS, EGNOS)) для повышения точности определения местоположения, а также упрощение структурной схемы устройств, повышение точности обработки входных сигналов.
«Горячий» старт означает включение приемника при наличии текущих даты/времени, альманаха и устаревших не более чем на 60 минут эфемероидной информации. «Теплый» старт означает включение приемника при наличии текущих даты/времени и альманаха. «Холодный» старт означает включение приемника при отсутствии исходных данных.
Цель достигается введением в многоканальный коррелятор независимых блока быстрого обнаружения навигационных сигналов одного диапазона частот и блока быстрого обнаружения навигационных сигналов другого диапазона частот, предназначенных для определения оценок задержки сигналов со спутников, а универсальные каналы выполнены с возможностью приема в каждом из них навигационного сигнала от указанного спутника с рассчитанной фазой приема сигнала. При этом на первый вход многоканального коррелятора поступают навигационные сигналы одного диапазона частот, на второй вход - навигационные сигналы другого диапазона частот, на третий вход - частота опорного генератора. К первому и второму входам коррелятора подключены хотя бы шестнадцать универсальных каналов приема навигационных сигналов и блоки быстрого обнаружения, параллельно подключенные к шине адреса и данных для управления ими (в частности, от блоков быстрого обнаружения на шину поступают найденные в них оценки задержки сигналов от указанных по шине спутников, а на указанные универсальные каналы - рассчитанные фазы приема сигналов указанных спутников). К шине адреса и данных подключен формирователь секундной метки, от которого на выход коррелятора поступает секундная метка времени.
Предпочтительно, чтобы универсальные каналы и блоки быстрого обнаружения были подключены к выходам двух аналого-цифровых преобразователей (АЦП), первый из которых подключен к первому входу коррелятора, второй - ко второму входу коррелятора.
Предпочтительно, чтобы в качестве хотя бы одного из аналого-цифровых преобразователей многоканального коррелятора был использован четырехуровневый аналого-цифровой преобразователь, что позволяет уменьшить потери при оцифровывании аналоговых сигналов и ведет к уменьшению ошибок и повышению точности обработки информации.
Цель достигается также тем, что цифровой тракт приемника навигационного содержит многоканальный коррелятор с двумя независимыми блоками быстрого обнаружения и универсальными каналами, как описано выше. При этом к антенному входу приемника последовательно подключены малошумящий усилитель, полосовой фильтр, смеситель и усилитель с дифференциальными выходами. К первому выходу последнего последовательно подключены второй полосовой фильтр, первый квадратурный демодулятор и первый АЦП для приема навигационных сигналов одного диапазона частот (например, ГЛОНАСС), ко второму его выходу последовательно подключены третий полосовой фильтр, второй квадратурный демодулятор и второй АЦП для приема навигационных сигналов другого диапазона частот (например, GPS/SBAS). Частоту опорного генератора подают на входы опорной частоты первого синтезатора частоты и второго синтезатора частоты, выход которого соединен с гетеродинным входом первого квадратурного демодулятора. Выходы первого синтезатора частоты подключены к гетеродинному входу второго квадратурного демодулятора через делитель частоты и к гетеродинному входу смесителя. Описанная часть структурной схемы составляет аналоговый тракт приемника.
Цифровой тракт содержит процессор обработки навигационных сигналов, который соединен шинами адреса и данных с многоканальным коррелятором и с перепрограммируемым постоянным запоминающим устройством. При этом процессор содержит сдвоенный приемопередатчик для обмена информацией (передачи навигационных параметров, приема дифференциальных поправок и установок работы приемника) с потребителем. На хотя бы один информационный порт приемника, являющийся информационным портом процессора, поступают навигационные параметры. Выделенные аналоговые сигналы двух различных диапазонов частот поступают на разные входы многоканального коррелятора (с выхода первого АЦП - на первый вход коррелятора, с выхода второго АЦП - на второй вход коррелятора). На вход процессора и третий вход коррелятора подают частоту опорного генератора. На требующие питания элементы схемы подают стабилизированное напряжение питания.
Предпочтительно, чтобы первый и второй АЦП и многоканальный коррелятор были выполнены в едином блоке.
Предпочтительно, чтобы к одному из информационных портов приемника был подключен преобразователь интерфейса, что расширяет функциональные возможности устройства. Например, преобразователь UART0-USB позволяет вести обмен данными через USB интерфейс.
Далее состав и работа приемника навигационного будут описаны в назначении приема навигационных сигналов ГЛОНАСС и GPS диапазонов в предпочтительном варианте, в состав которого входит многоканальный коррелятор.
На Фиг.1 приведена структурная схема ближайшего аналога - приемника навигационного ГАЛС-001.
На Фиг.2 приведена структурная схема многоканального коррелятора для приемника навигационного.
На Фиг.3 приведена структурная схема приемника навигационного в предпочтительном варианте.
К высокочастотному антенному входу приемника навигационного, изображенного на структурной схеме Фиг.2, последовательно подключены малошумящий усилитель 1 (У1), первый полосовой фильтр 2 (ПФ1), смеситель 3 высокочастотного сигнала и усилитель с дифференциальными выходами 4 (У2). К первому выходу У2 последовательно подключены второй полосовой фильтр 5 (ПФ2) и первый квадратурный демодулятор 6 (КвДМ1), образующие канал приема сигналов одного диапазона частот (ГЛОНАСС). Ко второму выходу У2 последовательно подключены третий полосовой фильтр 7 (ПФЗ) и второй квадратурный демодулятор 8 (КвДМ2), образующие канал приема сигналов другого диапазона частот (GPS/SBAS). С опорного генератора 9 (ОГ) подают сигнал на входы опорной частоты первого синтезатора частоты 10 (СНТ1) и второго синтезатора частоты 11 (СНТ2), выход которого соединен с гетеродинным входом КвДМ1. Выходы СНТ1 подключены к гетеродинному входу КвДМ2 через делитель частоты 12 (ДЧ) и гетеродинному входу смесителя. Каждый из КвДМ1 и КвДМ2 выполняет функцию второго смесителя и состоит из предварительного усилителя и квадратурного смесителя. Описанная часть структурной схемы составляет аналоговый тракт приемника.
Выделенные аналоговые сигналы двух различных диапазонов частот (ГЛОНАСС и GPS/SBAS) с выходов КвДМ1 и КвДМ2 поступают соответственно на первый и второй входы многоканального коррелятора 13 (коррелятор) навигационных сигналов цифрового тракта для дальнейшей обработки. Цифровой тракт содержит также включающий сдвоенный приемопередатчик процессор обработки навигационных сигналов 14 (процессор), который соединен шиной адреса и данных с многоканальным коррелятором и с перепрограммируемым постоянным запоминающим устройством 15 (ППЗУ). На вход процессора и третий вход коррелятора подают тактовую частоту ОГ.
От приемника потребителю, в зависимости от настройки приемника, через выход коррелятора передают сигнал метки времени, через один из информационных портов (UART0 и UART1) процессора - навигационные параметры (текущие координаты - широта, долгота, высота; вектор путевой скорости - путевой угол, путевая скорость; время и дата), а по другому принимают дифференциальные поправки или передают навигационные параметры. Питание на требующие питания элементы схемы поступает, например, через стабилизатор напряжения либо стабилизированный источник питания.
На структурной схеме Фиг.2 изображен многоканальный коррелятор для приема навигационных сигналов, содержащий хотя бы шестнадцать универсальных каналов 16 (каналы) для выделения и обработки сигналов от спутников, блок быстрого обнаружения сигналов ГЛОНАСС 17 (БО1), блок быстрого обнаружения сигналов GPS/SBAS 18 (БО2) и формирователь секундной метки 19. БО1 и БО2 предназначены для определения оценок задержки сигналов со спутников, а универсальные каналы выполнены с возможностью приема в каждом из них навигационного сигнала от указанного спутника с рассчитанной фазой приема сигнала. К первому и второму входам коррелятора подключены четырехуровневые аналого-цифровые преобразователи 20 и 21 (АЦП1 и АЦП2) соответственно. К выходам АЦП1 и АЦП2 параллельно подключены входы универсальных каналов, БО1 и БО2, соединенные по шине адреса и данных с процессором. Формирователь секундной метки также подключен к процессору. Выход формирователя секундной метки является выходом приемника навигационного.
В качестве элементов схемы аналогового тракта используют стандартные изделия, выпускаемые российскими и зарубежными фирмами.
Многоканальный коррелятор может быть реализован, в частности, на процессоре, контроллере, ПЛИС (например, FPGA - field programmable gate array).
Количество универсальных каналов коррелятора определяет максимальное количество спутников СРНС (ГЛОНАСС, GPS, SBAS), от которых приемник может одновременно принимать и обрабатывать сигналы.
В качестве процессора обработки навигационных сигналов используют, например, контроллеры или процессоры (семейство Blackfin), а в качестве ППЗУ - Flash-ПЗУ либо другие устройства соответствующего назначения.
Приемник навигационный начинает функционировать (автоматически осуществлять поиск и слежение за сигналами спутников СРНС, решать навигационную задачу для определения навигационных параметров объекта с установленной антенной, от которой поступает сигнал на антенный вход приемника) после подачи необходимого питания на стабилизатор.
При включении приемника существует возможность откорректировать существующие в нем установки (установки по умолчанию). В частности, выбрать используемую навигационную систему (GPS, ГЛОНАСС, GPS и ГЛОНАСС с приоритетом GPS, GPS и ГЛОНАСС с приоритетом ГЛОНАСС), привязку метки времени к UTC (SU) или UTC (USNO), протокол информационного обмена, скорость обмена и другие.
На входы СНТ1 и СНТ2, а также третий вход коррелятора и вход процессора подают сигнал опорной частоты с ОГ. С СНТ1 частоту первого гетеродина F1 подают на гетеродинный вход смесителя и на ДЧ, с которого частоту второго гетеродина F1/8 (при ОГ, вырабатывающем частоту 16 МГц) передают на гетеродинный вход КвДМ2 для выделения сигналов GPS/SBAS. На гетеродинный вход КвДМ1 подают частоту второго гетеродина F2 с СНТ2 для выделения сигналов ГЛОНАСС.
Через антенный вход приемника, предназначенный для приема сигналов СРНС (ГЛОНАСС и GPS), на У1 поступают навигационные сигналы от спутников, находящихся в зоне видимости. У1 усиливает входной сигнал, внося минимальную шумовую составляющую. В ПФ1 выделяют высокочастотный сигнал с требуемым диапазоном частот (ГЛОНАСС и GPS) и передают на смеситель высокочастотного сигнала, с выхода которого выделенный сигнал с частотой F1 поступает на У2, имеющий два независимых выхода. С первого выхода У2 сигнал подают в канал приема сигналов одного диапазона частот (ГЛОНАСС). В ПФ2 выделяют этот диапазон частот, в предварительном усилителе КвДМ1 усиливают приходящий сигнал, в квадратурном смесителе КвДМ1 преобразуют его в сигнал частоты F2, а также выделяют действительную и мнимую составляющие сигнала и через комплексный выход КвДМ1 передают на первый вход многоканального коррелятора. С другого выхода У2 сигнал подают на канал приема сигналов другого диапазона частот (GPS/SBAS), в котором аналогично обрабатывают его и передают на второй вход многоканального коррелятора действительную и мнимую составляющие этого сигнала с частотой F1/8. Выделение действительной и мнимой составляющих дает возможность обрабатывать сигналы, частота которых близка к нулю, что особенно актуально для сигналов ГЛОНАСС, и производить наиболее точную обработку сигнала в цифровом тракте.
Таким образом, результирующие аналоговые сигналы одного и другого диапазонов частот с выходов демодуляторов поступают соответственно на первый и второй входы многоканального коррелятора навигационных сигналов цифрового тракта приемника для дальнейшей обработки.
При включении приемника под управлением операционной системы реального времени процессора запускается штатное программное обеспечение из ППЗУ. В соответствии с алгоритмом его работы процессор управляет работой блоков быстрого обнаружения (БО1 и БО2), универсальных каналов коррелятора и формирователя секундной метки, решает навигационную задачу, производит сохранение принимаемых альманахов и эфемерид спутников ГЛОНАСС, GPS, SBAS в энергонезависимую память ППЗУ и их расчет, а также осуществляет изменение установок работы приемника и обмен данными с потребителем через информационные порты (UART0 и UART1).
Аналоговые сигналы ГЛОНАСС и GPS/SBAS поступают для оцифровки на АЦП1 и АЦП2 соответственно. Далее квантованные отсчеты входного сигнала поступают в универсальные каналы для обработки и выделения сигналов от спутников, а также в блоки быстрого обнаружения.
Процессор расставляет навигационные спутники в порядке приоритета в зависимости от настройки (используемой навигационной системы; с использованием информации геостационарных спутников или без нее) и типа старта приемника. При отсутствии исходных данных о спутниках (в памяти ППЗУ отсутствуют альманахи и эфемериды, либо они устарели - "холодный" старт) процессор подает команду в БО1 и БО2 на поиск сигналов каждого из задействованных в системе спутников по порядку. Когда данные о спутниках записаны в ППЗУ ("теплый" или "горячий" старт), процессор осуществляет сортировку спутников системы по углу возвышения над горизонтом для текущего местоположения.
Команды на поиск сигнала от очередного по приоритету спутника поступают в БО1 или БО2 в зависимости от типа искомого спутника. Так как БО1 и БО2 функционируют независимо друг от друга, то поиск сигналов от спутников ГЛОНАСС и GPS/SBAS можно вести параллельно. Для поиска сигнала от спутника отведен определенный промежуток времени. Если за отведенное на поиск время сигнал не найден, процессор подает команду на поиск сигнала следующего по приоритету спутника. При этом в БО1 используют векторы различных опорных (литерных) частот и одну эталонную ПСП (сигналы ГЛОНАСС), в БО2 - вектор одной и той же опорной частоты и различные эталонные ПСП (сигналы GPS/SBAS).
В БО1 и БО2 производят комплексное умножение поступающего сигнала на опорную частоту, получая входной сигнал на близкой к нулевой частоте (нормализованная частота). Далее в БО1 увеличивают в два либо в четыре раза (для ГЛОНАСС), а в БО2 увеличивают в два раза (для GPS) нормализованную частоту.
Далее рассчитывают 2n (4n) в БО1 (2n в БО2) коэффициентов корреляции (осуществляют операцию параллельной свертки) для эталонной ПСП и 2n (4n) в БО1 (2n в БО2) реализации входного сигнала, принимаемых со сдвигом на 0,5 (0,25) в БО1 (0,5 в БО2) бита, на интервале периода ПСП. Далее определяют максимальное значение и его место в ряду коэффициентов корреляции. Найденную оценку задержки сигнала передают в процессор, который выносит решение о наличии сигнала от заданного спутника.
При нахождении сигнала от заданного спутника процессор по оценке задержки сигнала рассчитывает момент начала ПСП в принимаемом сигнале (фазу приема сигнала), определяет канал, который будет принимать этот сигнал, и подает в него команду для приема сигнала с найденной фазой приема сигнала. В противном случае в соответствующий блок быстрого обнаружения подают команду поиска следующего по приоритету спутника либо поиска этого же спутника. Таким образом, использование процессором найденных в БО1 и БО2 оценок задержки сигнала позволяет существенно ускорить процесс обнаружения навигационных сигналов, а также захват и слежение за ними в универсальных каналах.
В универсальных каналах производят прием и демодуляцию сигналов с указанных процессором спутников (ГЛОНАСС, GPS/SBAS) с найденными фазами приема сигналов, при этом выполняют интегрирование комплексного произведения (последовательную свертку с накоплением) принимаемого входного сигнала (ГЛОНАСС или GPS/SBAS) на вектор синтезированной в канале опорной частоты и эталонной ПСП на интервале периода ПСП (1 мс). На выходе канала формируют значения, используемые процессором для:
- слежения за фазой ПСП входного сигнала для определения дальности;
- слежения за частотой и фазой несущей входного сигнала для определения скорости;
- выделения информационных символов из входного сигнала для декодирования сообщений.
Прием сигналов как минимум с 4-х спутников позволяет процессору решить навигационную задачу. При увеличении количества навигационных спутников, от которых приняты сигналы, процессор определяет местоположение и скорость объекта с установленной антенной с меньшей погрешностью. Далее через один из информационных портов (в зависимости от настроек приемника) передают их потребителю. Процессор с определенной периодичностью обновляет принимаемые альманахи и эфемериды в ППЗУ.
В формирователе секундной метки по команде от процессора и в соответствии с установками приемника (использование UTC (SU) или UTC (USNO)) формируют секундную метку времени и передают потребителю.
При подключении к одному из информационных портов приемника преобразователя интерфейса USB (параллельно или последовательно) приемник может быть подключен к компьютеру по интерфейсу USB. В этом случае выдачу данных по нему производят после подачи в приемник команды на передачу данных по интерфейсу USB в определенном протоколе данных. При этом приемник начинает передавать информацию в соответствующем протоколе.
Предлагаемые структурные схемы многоканального коррелятора и приемника навигационного позволяют выдавать первое определение навигационных параметров в СРНС менее чем за 5 с (типовое значение - от 2 до 3 с), повысить точность определения с вероятностью 0,95 географических координат до 3 м и наземной скорости - до 0,03 м/с при максимальной погрешности формирования секундной метки менее 0,1 мкс. Все это обеспечивает удобство работы с приемником в соответствии с современными требованиями, а также позволяет уменьшить массогабаритные характеристики приемника навигационного.