ДВУХСИСТЕМНЫЙ НАВИГАЦИОННЫЙ ПРИЕМНИК С USB ИНТЕРФЕЙСОМ

Полезная модель относится к навигационным устройствам, а именно к двухсистемному навигационному приемнику (ДНП) с USB интерфейсом, который может найти широкое применение для телематических служб, персональной навигации и охранных систем.
Значительная часть ДНП конструктивно представляет собой набор последовательно соединенных микросхем: микропроцессор, СБИС 16 канального коррелятора, ОЗУ, флэш ПЗУ, супервизор, преобразователь уровней RS-232 и порт ввода-вывода.
Известен GPS приемник с USB интерфейсом LEA-5A фирмы Ublox описанный в Datasheet GPS.G5-MS5-07026-P4, содержащий СБИС входной аналоговой части (Front-end) с малошумящим усилителем, один ВЧ фильтр, Baseband процессор, содержащий микропроцессор, 50 - канальный коррелятор, ОЗУ, супервизор питания, часы реального времени и ПЗУ.
Недостатком этого устройства является невозможность одновременной работы в двух спутниковых навигационных системах (СНС) GPS (США) и ГЛОНАСС (Россия) и как следствие, низкая достоверность определения координат.
Известен двухсистемный ГЛОНАСС/GPS приемник TFAG-50, описанный в журнале «ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес» №3 за 2004 год в статье Игоря Корнеева, Олега Лагутина «Навигационный приемник TFAG50. Работа с ГЛОНАСС/GPS.»
Двухсистемный ГЛОНАСС/GPS приемник TFAG-50 содержит два стабилизатора питания на 2,8 вольт и на 2,5 вольт, 16-канальный коррелятор, микропроцессор, флэш ПЗУ, ОЗУ, преобразователь уровня RS-232, разъем подключения ГЛОНАСС/GPS антенны, порт ввода-вывода, супервизор питания, опорный генератор, ВЧ усилитель, ВЧ фильтр, три смесителя, два генератора, управляемые напряжением, три усилителя, два ГТЧ фильтра, два однобитных АЦП, сдвоенный синтезатор частот, умножитель и компаратор.
Однако этот приемник также имеет недостаток - у него отсутствует USB интерфейс, что существенно снижает область его применения, требует наличие дополнительного внешнего источника питания. Так же этот приемник обладает достаточно низкой чувствительностью при работе с пассивной антенной.
Известно из уровня техники и описано, например, в журнале «Электронные компоненты» №4 за 2007 г. в статье Игоря Корнеева, Владимира Немудрова, Вадима Полыцикова и Олега Лагутина «Специализированная СБИС - основа цифрового навигационного приемника ГЛОНАСС/GPS», что одновременное использование двух систем ГЛОНАСС (Россия) и GPS (США) позволяет радикально повысить достоверность определения координат до уровня, недостижимого в любой отдельно взятой системе.
Техническим результатом данной полезной модели является повышение достоверности определения координат до уровня, недостижимого в любой отдельно взятой системе СНС, и существенном расширении области применения за счет использования USB интерфейса и дополнительного малошумящего входного усилителя.
Технический результат достигается за счет того, что двухсистемный навигационный приемник (ДНП), содержащий первый стабилизатор питания на 2,8 вольт и второй стабилизатор питания на 2,5 вольт, 16-канальный коррелятор, содержащий 16 корреляционных каналов, сдвоенный приемопередатчик UART с FIFO объемом 16×8 бит, формирователь 1PPS, часы реального времени, микропроцессор, предназначенный для цифровой обработки сигналов ГЛОНАСС/GPS и определения данных местоположения, флэш ПЗУ, предназначенное для хранения кода программы микропроцессора, ОЗУ, предназначенное для хранения оперативных данных, преобразователь уровня RS-232, предназначенный для преобразования логических уровней в уровни интерфейса RS-232, разъем подключения ГЛОНАСС/GPS антенны, порт ввода-вывода, предназначенный для коммутации с источником электропитания и внешним телематическим устройством или компьютером, супервизор питания, предназначенный для контроля уровня входного напряжения питания и формирования сигнала обнуления, опорный генератор, предназначенный для формирования сигнала опорной частоты, ВЧ усилитель, предназначенный для предварительного усиления сигналов ГЛОНАСС/GPS и компенсации потерь в ВЧ фильтре, ВЧ фильтр, предназначенный для предварительной фильтрации сигналов ГЛОНАСС/GPS, первый смеситель, предназначенный для переноса входных сигналов ГЛОНАСС/GPS на первую промежуточную частоту, первый генератор, управляемый напряжением, предназначенный для формирования сигнала первого гетеродина, первый усилитель, предназначенный для компенсации потерь в первом ГТЧ фильтре, первый ПЧ фильтр, предназначенный для фильтрации сигналов ГЛОНАСС первой промежуточной частоты, второй смеситель, предназначенный для переноса сигналов ГЛОНАСС на вторую промежуточную частоту, первый однобитный АЦП, предназначенный для аналого-цифрового преобразования сигналов ГЛОНАСС второй промежуточной частоты, второй усилитель, предназначенный для компенсации потерь во втором ПЧ фильтре, второй ПЧ фильтр, предназначенный для фильтрации сигналов GPS первой промежуточной частоты, третий смеситель, предназначенный для переноса сигналов GPS на вторую промежуточную частоту, второй однобитный АЦП, предназначенный для аналого-цифрового преобразования сигналов GPS второй промежуточной частоты, третий усилитель, предназначенный для усиления сигнала первого гетеродина, сдвоенный синтезатор частот, предназначенный для синтеза частоты первого гетеродина и тактовой частоты, умножитель, предназначенный для умножения сигнала тактовой частоты и формирования сигнала второго гетеродина, компаратор, предназначенный для преобразования аналогового сигнала тактовой частоты в цифровую форму, второй генератор, управляемый напряжением, предназначенный для формирования сигнала тактовой частоты, отличающийся тем, что дополнительно содержит малошумящий усилитель, предназначенный для усиления входного сигнала и преобразователь интерфейса UART/USB, предназначенный для преобразования сигналов UART из/в сигналы USB, при этом первый вход упомянутого малошумящего усилителя соединен со вторым выходом разъема подключения ГЛОНАСС/GPS антенны, второй выход вышеупомянутого малошумящего усилителя соединен с первым входом ВЧ фильтра, ВЧ фильтр вторым выходом подсоединен к первому входу первого смесителя, который вторым выходом одновременно соединен с первым входом первого усилителя и первым входом второго усилителя, при этом четвертый вход вышеупомянутого усилителя соединен с четвертым выходом первого генератора управляемого напряжением, который третьим выходом соединен с третьим входом третьего усилителя, второй вход вышеупомянутого первого генератора управляемого напряжением соединен с шестым выходом сдвоенного синтезатора частот, четвертый вход которого соединен с первым выходом опорного генератора, первый вход вышеупомянутого сдвоенного синтезатора частот соединен со вторым выходом третьего усилителя, второй вход-выход сдвоенного синтезатора частот соединен с первым входом-выходом второго генератора управляемого напряжением, третий выход вышеупомянутого второго генератора управляемого напряжением соединен с третьим входом компаратора, который вторым выходом соединен с третьим входом умножителя, вышеупомянутый умножитель соединен вторым выходом одновременно с третьим входом третьего смесителя и четвертым входом второго смесителя, вышеупомянутый первый усилитель соединен третьим выходом с первым входом первого ПЧ фильтра, который вторым выходом соединен с первым входом второго смесителя, вышеупомянутый второй смеситель третьим выходом соединен с первым входом первого однобитного АЦП, который третьим выходом соединен с первым входом 16 канальным коррелятором, вышеупомянутый второй усилитель соединен третьим выходом с первым входом второго ПЧ фильтра, который вторым выходом соединен с первым входом третьего смесителя, вышеупомянутый третий смеситель вторым выходом соединен с первым входом второго однобитного АЦП, который третьим выходом соединен со вторым входом 16 канальным коррелятором, вышеупомянутый 16 канальный коррелятор соединен пятым входом-выходом с четвертым выходом компаратора, 16 канальный коррелятор соединен шестым входом-выходом одновременно с первым входом-выходом преобразователя уровня TTЛ/RS232 и первым входом-выходом преобразователя интерфейса UART/USB, седьмым выходом 16 канальный коррелятор соединен со вторым входом порта ввода-вывода, восьмым входом выходом 16 канальный коррелятор соединен с шестым входом-выходом микропроцессора, вышеупомянутый микропроцессор первым входом-выходом соединен с первым входом-выходом флэш ПЗУ, второй вход-выход микропроцессора соединен с первым входом-выходом ОЗУ, вышеупомянутый преобразователь уровня TTЛ/RS232 третьим входом-выходом соединен с третьим входом-выходом порта ввода-вывода, который четвертым входом-выходом соединен с третьим входом-выходом преобразователя интерфейса UART/USB, первый выход вышеупомянутого порта ввода-вывода одновременно соединен с первым входом первого стабилизатора, первым входом второго стабилизатора, первым входом супервизора питания, третьим входом микропроцессора, вторым входом преобразователя интерфейса UART/USB, вторым входом преобразователя уровня TTЛ/RS232, вторым входом ОЗУ, вторым входом флэш ПЗУ, третьим входом 16 канального коррелятора, вышеупомянутый второй стабилизатор питания вторым выходом соединен с пятым входом микропроцессора, вышеупомянутый супервизор питания вторым выходом одновременно соединен с четвертым входом микропроцессора, третьим входом ОЗУ, четвертым входом 16 канального коррелятора, вышеупомянутый первый стабилизатор вторым выходом одновременно соединен с третьим входом малошумящего усилителя, вторым входом ВЧ усилителя, третьим входом первого смесителя, первым входом первого генератора управляемого напряжением, первым входом третьего усилителя, пятым входом сдвоенного синтезатора частот, первым входом умножителя, первым входом компаратора, вторым входом второго генератора управляемого напряжением, вторым входом первого усилителя, вторым входом второго усилителя, вторым входом второго смесителя, четвертым входом третьего смесителя, вторым входом первого однобитного АЦП, третьим входом второго однобитного АЦП.
Заявленная полезная модель иллюстрируется следующими чертежами: рис.1, на которой показана структурная схема ДНП.
Рассмотрим структуру и работу ДНП.
Как видно из чертежа рис.1, двухсистемный навигационный приемник 1 содержит разъем подключения ГЛОНАСС/GPS антенны 4, к которому подключается совмещенная ГЛОНАСС/GPS антенна 33.
Кроме того, ДНП 1 содержит 16-канальный коррелятор 24, связанный с микропроцессором 30, преобразователем уровня TTЛ/RS232 25 и портом ввода-вывода 27, микропроцессор 30 в свою очередь связан с флэш ПЗУ 28, ОЗУ 29, супервизором питания 32 и вторым стабилизатором питания на 2,5 вольт 31. Кроме того, ДНП содержит ВЧ усилитель 6, который соединен с ВЧ фильтром 7, ВЧ фильтр 7 соединен с первым смесителем 8, который одновременно соединен с первым усилителем 9 и вторым усилителем 13, первый смеситель 8 также соединен с первым генератором, управляемым напряжением 17, который в свою очередь соединен с третьим усилителем 18. Третий усилитель 18 соединен со сдвоенным синтезатором частот 19, который в свою очередь соединен с опорным генератором 20 и со вторым генератором, управляемым напряжением 23. Кроме того, второй генератор, управляемый напряжением 23 соединен первым компаратором 22, который в свою очередь соединен с умножителем 21. Кроме того, вышеупомянутый первый усилитель 9 соединен с первым ПЧ фильтром 10, который в свою очередь соединен со вторым смесителем 11, а второй смеситель 11 соединен с первым однобитным АЦП 12. Кроме того, вышеупомянутый второй усилитель 13 соединен со вторым ПЧ фильтром 14, который в свою очередь соединен с третьим смесителем 15, а третий смеситель 15 соединен со вторым однобитным АЦП 16.
Кроме того, ДНП 1 содержит первый стабилизатор питания на 2,8 вольт 9, предназначенный для обеспечения электропитанием аналоговой части 2 ДНП 1.
ДНП 1 дополнительно содержит малошумящий усилитель 5, который соединен с разъемом подключения ГЛОНАСС/GPS антенны 4, ВЧ усилителем 6 и первым стабилизатором питания на 2,8 вольт 9, кроме того, ДНП 1 дополнительно содержит преобразователь интерфейса UART/USB 26, который соединен с портом ввода-вывода 27, 16 канальным коррелятором 24 и преобразователем уровня TTЛ/RS232 25.
Заявленный ДНП работает следующим образом.
Сигналы от двух СНС ГЛОНАСС (Россия) и GPS(USA) (на чертеже не показано) непрерывно поступают на совмещенную ГЛОНАСС/GPS антенну 33, далее через разъем подключения антенны 4 в двухсистемный навигационный приемник.
Здесь необходимо отметить, что совмещенный двухсистемный навигационный приемник 1 состоит из аналоговой 2 и цифровой части 3. ДНП предназначен для приема сигналов спутниковых систем навигации ГЛОНАСС (частотные литеры - от -7 до +12, сигнал стандартной точности) и GPS (сигнал С/А). В аналоговой части (RF Front End-FE) 2 ДНП производится фильтрация и усиление входных сигналов, а также их оцифровка. Аналоговая часть ДНП 2 построена по схеме супергетеродинного приемника с двойным преобразованием частоты. Частоты гетеродинов формируются из частоты опорного кварцевого генератора методом косвенного синтеза с использованием петли фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Выходные сигналы аналоговой части ДНП 2 - это бинарные отсчеты сигналов второй промежуточной частоты (ПЧ) ГЛОНАСС и GPS, сигнал тактовой частоты 61 МГц, сигнал индикации захвата ФАПЧ.
В цифровой части ДНП 3 производится дальнейшая (аппаратная и программная) цифровая обработка сигналов. В состав цифровой части ДНТ входят сверхбольшая интегральная схема (СБИС) "16-канальный коррелятор" 24, микропроцессор 30, память (флэш ПЗУ) 28, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 29.
Необходимо отметить, что входящая в состав цифровой части ДНП 3 16-канальный коррелятор 24 имеет рабочую тактовую частоту 30,5 МГц и содержит 16 корреляционных каналов; сдвоенный приемопередатчик (DUART) типа RS-232 с FIFO объемом 16×8 бит; формирователь секундной метки времени 1PPS; часы реального времени (RTC), а также формирователи сигнала прерывания и шкалы времени (на чертеже не показаны).
Частота первого гетеродина (на рисунке не показан) - 1412,6МГц. Формируется она в первом синтезаторе частоты сдвоенного синтезатора частот 19. Частота опорного генератора 20-13 МГц. Коэффициент деления частоты первого гетеродина (на рисунке не показан) - 326, коэффициент деления опорной частоты - 3, так что частота сравнения в первой петле ФАПЧ - 4,3 МГц, и 1412,6=326×4,3. В результате первого преобразования частоты спектры входных сигналов переносятся на первую промежуточную частоту: для GPS - 162,75 МГц, для ГЛОНАСС - 185,396…196,08 МГц. Частота второго гетеродина (на рисунке не показан) 183МГц получается из тактовой частоты 61МГц умножением на 3. Тактовая частота формируется во втором синтезаторе частоты сдвоенного синтезатора частот 19, для которого коэффициент деления сигнала равен 61, коэффициент деления опорной частоты - 13,т.е. частота сравнения во второй петле ФАПЧ - 1 МГц. После второго преобразования частоты спектры переносятся на вторую промежуточную частоту: для GPS - 20,24 МГц, для ГЛОНАСС -2,396…13,08 МГц. Частота дискретизации 30,5МГц получается из тактовой частоты 61 МГц делением на 2. В процессе дискретизации происходит размножение спектров, так что для дальнейшей цифровой обработки используется основной спектр сигналов ГЛОНАСС, расположенный в диапазоне частот 2,396…13,08 МГц (частота 6,3 МГц соответствует частоте 1602 МГц), и зеркальный относительно частоты дискретизации спектр сигнала GPS с центральной частотой 10,25 МГц. В приемнике применяется бинарное (двухуровневое) квантование с помощью первого 12 и второго 16 однобитных АЦП.
Тактовая частота микропроцессора 30 61 МГц формируется внутри процессора умножением на 2 входной тактовой частоты 30,5 МГц. Флэш ПЗУ 28 - объемом не менее 512К×8. ОЗУ 29 - статическое, асинхронное, объемом не менее 32К×8. ОЗУ 29 используется для хранения альманахов и эфемерид спутников.
Супервизор питания 32 выполняет следующие функции:
- формирует сигнал обнуления - RESET (на рисунке не показан) при: включении/выключении питания, при снижении напряжения питания ниже нормы, а также при подаче на вход платы приемника внешнего сигнала обнуления (на рисунке не показан);
- формирует сигнала Low Line (на рисунке не показан). Этот сигнал с опережением минимум на 25 мкс повторяет сигнал RESET и предупреждает микропроцессор 30 о том, питание выходит за пределы нормы, и запись во Флэш ПЗУ 28 или ОЗУ 29 должна быть остановлена;
Преобразователь уровня TТЛ/RS232 25 преобразует сигналы ТТЛ уровня в двуполярные (+-6 В) и обратно.
Напряжение питания ядра микропроцессора 30 2,5 Вольт формируется во втором стабилизаторе питания 2,5 Вольт 31.
Напряжение питания аналоговой части ДНП 1 2,8 Вольт формируется в первом стабилизаторе питания 2,8 Вольт 9.
Преобразователь интерфейса UART/USB 26, предназначен для преобразования сигналов UART из/в сигналы USB.
Изготовление двухсистемного навигационного приемника 1, изображенного на Рис.1, можно осуществлять из типовых радиоэлектронных компонентов (РЭК) и одной заказной СБИС.
РЭК могут быть:
Опорный генератор 20 может быть реализован на генераторе IVT5300B (RAKON) на частоту 13,0 МГц с возможностью подстройки частоты постоянным напряжением. В качестве входного ВЧ фильтра 7 можно использовать, например, ПАВ фильтр АЕ551 ООН-1590 (АЕК, Россия). В качестве ПЧ фильтров 10 и 14 могут использоваться ПАВ фильтры фирмы АЕК на центральные частоты 162,3 МГц (14) и 192,3 МГц (10). Входной малошумящий усилитель 5 может быть реализован на транзисторе BFP640 (Infineon). ВЧ усилитель 6 может быть выполнен на микросхеме uPC2749TB(NEC). Первый смеситель 8 и первый генератор, управляемый напряжением 17 первого гетеродина можно реализовать на микросхеме uPC2756T (NEC). Третий усилитель 18 первого гетеродина и второй 9 и третий 13 усилители промежуточной частоты можно реализовать на микросхеме uPC8151TB (NEC). Второй 11 и третий 15 смесители второй промежуточной частоты можно реализовать на микросхеме SA636DK (Philips). Первый 12 и второй 16 однобитные АЦП могут быть реализованы на микросхеме MAX962EUA(MAXIM). В качестве сдвоенного синтезатора частот можно использовать микросхему LMX1600TM(NSC), а второй генератор, управляемый напряжением 23, можно реализовать на микросхеме MAX2620EUA (MAXIM). Компаратор 22 можно реализовать на микросхеме MAX961EUA(MAXIM). Первый стабилизатор питания на 2,8 Вольт реализуется, например, на микросхеме LP2981IM5-2.8 (NSC). Супервизор питания 32 реализуется, например, на микросхеме MAX793ESE (MAXIM). В качестве микропроцессора 30 можно использовать микросхему ADSP2189M (Analog Devices), в качестве ОЗУ 29 - микросхему CY62256-70 (Cypress), в качестве флэш ПЗУ 28 - микросхему AM29LV040 (Analog Devices). Второй стабилизатор питания на 2,5 вольт 31 реализуется на микросхеме LP2980IM5-2.5 (NSC)., преобразователь уровня TTJI/RS232 25 реализуется, например, на микросхеме МАХ3232(МАХ1М), а преобразователь интерфейса UART/USB на PL2303 (Prolific). 16 канальный коррелятор 24 может быть реализован на заказной СБИС «16 канальный коррелятор» (ФГУП «НИИМА «Прогресс»).