УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАВИГАЦИОННО-ВРЕМЕННЫХ ОПРЕДЕЛЕНИЙ ПО СИГНАЛАМ ГЛОБАЛЬНЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СПУТНИКОВЫХ СИСТЕМ

Полезная модель относится к области средств радионавигации и может быть использована в навигационном оборудовании, осуществляющем навигационно-временные определения по сигналам глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) в условиях нахождения объекта в околоземном пространстве.
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. Навигационные сигналы несут в себе также служебную информацию и информацию о системном времени. На основании принятых навигационных сигналов на приемной стороне производятся навигационно-временные определения, включающие в себя измерения псевдодальностей до соответствующих передатчиков. Эти измерения производятся путем определения 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.
Примеры устройств, осуществляющих навигационно-временные определения по сигналам ГНСС, представлены, в частности, в патентах: [2] - RU 2167431 (C2), G01S 5/14, 20.05.2001, [3] - RU 2178894 (C1), G01S 5/14, 27.01.2002.
Обобщенная структурная схема устройств, представленных в [2] и [3], содержит блок приема и частотного преобразования сигналов с приемной антенной, связанный с ним блок корреляционной обработки, решающий блок, связанный с блоком корреляционной обработки, а также связанный с указанными блоками блок синхронизации. Блок приема и частотного преобразования сигналов осуществляет усиление принимаемых антенной сигналов до нужного уровня, разделение их по частотным поддиапазонам, фильтрацию и частотное преобразование (перенос спектра сигналов на промежуточную частоту). В блоке корреляционной обработки осуществляется параллельная обработка сигналов навигационных спутников, определяются псевдодальности до них, а также интегральные псевдодоплеровские сдвиги частот каждого из обрабатываемых сигналов. Эти данные поступают в решающий блок, который осуществляет навигационные измерения, выдавая потребителю информацию о местоположении, векторе скорости движения, смещении шкалы времени и частоты используемого опорного генератора. Синхронная работа всех блоков обеспечивается тактовыми сигналами, формируемыми блоком синхронизации.
Приемная антенна представляет собой антенну СВЧ-диапазона с круговой диаграммой направленности, обеспечивающую возможность приема сигналов из верхней полусферы. Конструктивно приемная антенна может быть выполнена, например, аналогично антеннам, представленным в патентах: [4] - US 5568162, H01Q 7/04, H01Q 1/52, 22.10.1996, [5] - US 6040805, H01Q 13/00, 21.03.2000, [6] - US 6522291 (B1), H04B 7/185, G01S 5/02,18.02.2003, [7] - RU 2190941 (C1), H05K 1/00, 10.10.2002. Применение антенны с такой диаграммой направленности позволяет, в частности, производить навигационно-временные определения на объектах, находящихся в околоземном пространстве ниже зоны расположения группировки навигационных спутников ГНСС.
В качестве прототипа заявляемой полезной модели принято устройство для навигационно-временных определений по сигналам ГНСС ГЛОНАСС и GPS частотного диапазона L1, представленное в патенте [8] - RU 2146378 (C1), G01S 5/14, 10.03.2000.
Устройство, принятое в качестве прототипа, содержит блок приема и частотного преобразования сигналов, оснащенный приемной антенной, связанный с ним блок корреляционной обработки, связанный с блоком корреляционной обработки решающий блок, информационный выход которого образует информационный выход устройства, а также связанный со всеми указанными блоками блок синхронизации.
Приемная антенна представляет собой антенну со слабонаправленной круговой диаграммой направленности, обеспечивающей возможность приема сигналов ГНСС из верхней полусферы.
Блок приема и частотного преобразования сигналов содержит средства, обеспечивающие усиление принимаемых антенной сигналов ГЛОНАСС и GPS до нужного уровня, разделение сигналов по 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 служебной информации и радионавигационных параметров - данных о запаздываниях, возникающих в процессе распространения навигационных сигналов от соответствующих навигационных спутников до приемной антенны и данных об интегральных псевдодоплеровских сдвигах частот каждого из обрабатываемых сигналов.
Решающий блок содержит вычислитель (процессор) и средства интерфейса, связывающие процессор со всеми каналами блока корреляционной обработки. Процессор осуществляет управление каналами корреляционной обработки, настраивает их на выбранный навигационный спутник, 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.
Синхронная работа указанных блоков обеспечивается тактовыми сигналами, формируемыми блоком синхронизации.
Устройство-прототип, как и рассмотренные выше аналоги, обеспечивают возможность осуществления навигационно-временных определений на объектах, находящихся в околоземном пространстве только ниже зоны расположения группировки навигационных спутников ГНСС, что ограничивает область применения.
Техническим результатом, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, является создание устройства для навигационно-временных определений по сигналам ГНСС, способного функционировать в околоземном пространстве в расширенной, по сравнению с прототипом, зоне, а именно, ниже зоны расположения группировки навигационных спутников ГНСС, в зоне расположения группировки навигационных спутников ГНСС, а также выше нее. В частности, заявляемое устройство может располагаться на космических объектах, находящихся на высоких круговых и эллиптических орбитах.
Сущность полезной модели заключается в следующем. Устройство для навигационно-временных определений по сигналам ГНСС содержит блок приема и частотного преобразования сигналов, оснащенный приемной антенной, связанный с ним блок корреляционной обработки, связанный с блоком корреляционной обработки решающий блок, информационный выход которого образует информационный выход устройства, а также связанный со всеми указанными блоками блок синхронизации. В отличие от прототипа, устройство содержит связанные между собой и с блоком синхронизации дополнительный блок приема и частотного преобразования сигналов, оснащенный своей приемной антенной, и дополнительный блок корреляционной обработки, связанный с решающим блоком, при этом приемные антенны обоих блоков приема и частотного преобразования сигналов выполнены защищенными от воздействия космического излучения и ориентированы в противоположные стороны, обеспечивая возможность приема сигналов ГНСС со всех направлений.
В вариантах выполнения, имеющих практическое значение, приемные антенны выполнены с обтекателями из высокочастотной керамики.
Сущность полезной модели и возможность ее осуществления поясняются структурной схемой заявляемого устройства для навигационно-временных определений по сигналам ГНСС.
Заявляемое устройство для навигационно-временных определений по сигналам ГНСС содержит первый блок 1 приема и частотного преобразования сигналов с приемной антенной 2 и связанный с ним первый блок 3 корреляционной обработки, второй блок 4 приема и частотного преобразования сигналов с приемной антенной 5 и связанный с ним второй блок 6 корреляционной обработки, а также решающий блок 7 и блок 8 синхронизации. При этом решающий блок 7 связан шинами обмена данными с блоками 3 и 6 корреляционной обработки, а блок 8 синхронизации связан линиями передачи тактовых и синхронизирующих сигналов с соответствующими синхронизирующими и тактовыми входами блоков 1 и 4 приема и частотного преобразования сигналов, блоков 3 и 6 корреляционной обработки и решающего блока 7.
Приемные антенны 2 и 5 представляют собой слабонаправленные микрополосковые антенны СВЧ-диапазона с круговой диаграммой направленности. Антенны 2 и 5 ориентированы в противоположные стороны, обеспечивая в паре возможность приема сигналов ГНСС со всех направлений. Для защиты от воздействия космического излучения антенны 2 и 5 выполняются с обтекателями из высокочастотной керамики, например, марки ВК-94-1 аЯ.0.027.002 ТУ, что позволяет выдерживать температуры до 300°C и предотвращать как тепловой пробой, так и электрический пробой вследствие ударной ионизации электронами или ионами. При практической реализации в качестве приемных антенн 2 и 5 могут быть использованы разработанные в ОАО «Российский институт радионавигации и времени» («РИРВ») микрополосковые ГЛОНАСС/GPS антенны космического применения ТСЮИ.464659.114 ТУ с обтекателем из указанной высокочастотной керамики.
Решающий блок 7 содержит процессор с оперативной и постоянной памятью, специализированным программным обеспечением и средствами интерфейса, его информационный выход образует информационный выход устройства.
Блоки 1 и 4 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 [9] - RU 2145422 (C1), G01S 1/00, G01S 1/04, G01S 1/20, H04B 1/06, 10.02.2000 (фиг. 2). Конструктивно блоки 1 и 4 могут быть выполнены в виде специализированных больших интегральных схем (СБИС), например, аналогично СБИС, структурная схема которой представлена в патенте [10] - RU 2256936 (C1), G01S 5/14, H04B 1/26, 20.07.2005 (фиг. 1). При практической реализации блоки 1 и 4 приема и частотного преобразования сигналов могут быть выполнены на основе разработанных в ОАО «РИРВ» СБИС «Преобразователь аналоговый» ТСЮИ.421328.003 ТУ.
Блоки 3 и 6 корреляционной обработки могут быть реализованы по типовой схеме многоканального коррелятора, осуществляющего параллельную аппаратную обработку сигналов нескольких навигационных спутников, например аналогично схеме, представленной в прототипе [8, фиг. 1, 4, блоки 2, 3], а также в патенте [11] - RU 2310212 (C1), G01S 5/14, H04B 7/185, 10.11.2007 (фиг. 1). При этом количество каналов корреляционной обработки в каждом из блоков 3 и 6 определяется задаваемым потенциально возможным количеством одновременно обрабатываемых сигналов. При практической реализации блоки 3 и 6 корреляционной обработки могут быть выполнены на основе разработанных в ОАО «РИРВ» СБИС «Коррелятор-процессор» ТСЮИ. 431261.035 ТУ.
Блок 8 синхронизации может быть выполнен аналогично блоку, выполняющему в устройстве-прототипе функцию формирователя сигналов меток времени [8, фиг. 2, блок 5]. При этом в качестве внешнего опорного генератора может быть использован, например, бортовой рубидиевый стандарт частоты.
Заявляемое устройство для навигационно-временных определений по сигналам ГНСС работает следующим образом.
Устройство располагается на объекте, находящемся в околоземном пространстве. На входы блоков 1 и 4 приема и частотного преобразования сигналов от соответствующих приемных антенн 2 и 5 поступают принятые из эфира сигналы ГНСС, например сигналы ГЛОНАСС и GPS. При этом приемная антенна 2 принимает сигналы из верхней полусферы, а приемная антенна 5 - из нижней. В случае нахождения объекта ниже зоны расположения группировки навигационных спутников ГНСС прием сигналов осуществляется приемной антенной 2 и их дальнейшая обработка осуществляется в блоках 1 и 3. В случае нахождения объекта в зоне расположения группировки навигационных спутников ГНСС прием сигналов осуществляется обеими антеннами 2 и 5 и их дальнейшая обработка осуществляется в блоках 1, 3 и 4, 6. В случае нахождения объекта выше зоны расположения группировки навигационных спутников ГНСС прием сигналов осуществляется приемной антенной 5 и их дальнейшая обработка осуществляется в блоках 4 и 6.
При этом в блоках 1 и 4 приема и частотного преобразования сигналов происходит усиление поступающих с антенн 2 и 5 сигналов ГНСС до нужного уровня, разделение сигналов по частотным поддиапазонам, фильтрация сигналов от помех, преобразование по частоте (перенос спектра вниз по частоте) и преобразование к виду, пригодному для последующей цифровой обработке в блоках 3 и 6 корреляционной обработки.
В блоках 3 и 6 корреляционной обработки осуществляется параллельная обработка сигналов выбранных навигационных спутников с получением служебной информации и радионавигационных параметров - данных о запаздываниях, возникающих в процессе распространения навигационных сигналов от навигационных спутников до соответствующих приемных антенн 2, 5 и данных об интегральных псевдодоплеровских сдвигах частот каждого из обрабатываемых сигналов.
Эти данные поступают в решающий блок 7, который осуществляет управление работой блоков 3 и 6, настраивает их на выбранные навигационные спутники, получает поступающие от блоков 3 и 6 данные о псевдодальностях по отдельным навигационным спутникам, совместно их обрабатывает и формирует общее навигационно-временное решение по всем навигационным спутникам, находящимся в зоне радиовидимости приемных антенн 2 и 5 (т.е. данные о местоположении, векторе скорости движения, смещении бортовой шкалы времени и частоты используемого опорного генератора и др.).
Синхронная работа всех блоков устройства обеспечивается тактовыми сигналами, формируемыми блоком 8 синхронизации.
Общее навигационно-временное решение в виде выходного информационного сигнала решающего блока 7 поступает на информационный выход устройства для дальнейшего использования.
Таким образом, рассмотренное показывает, что заявляемая полезная модель осуществима и обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в создании устройства для навигационно-временных определений по сигналам ГНСС, способного функционировать в околоземном пространстве в расширенной, по сравнению с прототипом, зоне, а именно, ниже зоны расположения группировки навигационных спутников ГНСС, в зоне расположения группировки навигационных спутников ГНСС, а также выше нее. Это позволяет использовать заявляемое устройство на космических объектах, находящихся, в частности, на высоких круговых и эллиптических орбитах.
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 (C2), G01S 5/14, опубл. 20.05.2001.
3. RU 2178894 (C1), G01S 5/14, опубл.27.01.2002.
4. US 5568162, H01Q 7/04, H01Q 1/52, опубл.22.10.1996.
5. US 6040805, H01Q 13/00, опубл. 21.03.2000.
6. US 6522291 (B1), H04B 7/185, G01S 5/02, опубл. 18.02.2003.
7. RU 2190941 (C1), Н05К 1/00, опубл. 10.10.2002.
8. RU 2146378 (C1), G01S 5/14, опубл. 10.03.2000.
9. RU 2145422 (C1), G01S 1/00, G01S 1/04, G01S 1/20, H04B 1/06, опубл. 10.02.2000.
10. RU 2256936 (C1), G01S 5/14, H04B 1/26, опубл. 20.07.2005.
11. RU 2310212 (C1), G01S 5/14, H04B 7/185, опубл. 10.11.2007.