Устройство для обработки сигналов космических радионавигационных систем

Область техники.
Полезная модель относится к спецвычислителям и может быть использована для обработки сигналов космических радионавигационных систем.
Уровень техники.
Известны средства и способы обработки сигналов космических радионавигационных систем /1-4/.
Наиболее близким (по назначению и технической сущности) к заявляемой полезной модели относится устройство для обработки сигналов космических радионавигационных систем /4/.
Известное устройство для обработки сигналов космических радионавигационных систем (КРНС) /4/ аналоговый канал приема спутниковых сигналов  частоты L1 в полосе 20 МГц с общедоступным кодом и аналоговый канал приема спутниковых сигналов с закрытым кодом на частоте L2 и преобразованием частоты L2 вниз, соединённые через многоразрядные цифровые фильтры нижних частот (ФНЧ с модулем выделения из принятых сигналов криптостойкой последовательности данных W(h). При этом модуль выделения информационных данных W(h) выполнен в виде банка следящих контуров фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ).
доп
Н
Недостатком известного устройства для обработки сигналов КРНС является относительно невысокая точность декодирования сигналов КРНС, связанная с необходимостью высокой точности измерения частоты Доплера fи начальной фазы φ сигналов КНРС.
Задачей и техническим результатом полезной модели является повышение точности декодирования сигналов КРНС.
Сущность полезной модели.
Решение поставленной задачи и достижение заявленного технического результата обеспечивается тем, что устройство для обработки сигналов космических радионавигационных систем, включающее аналоговый канал приема спутниковых сигналов частоты L1 в полосе 20 МГц и модуль выделения из них криптостойкой последовательности данных W(h), согласно полезной модели дополнительно содержит модуль аналого-цифрового преобразования (АЦП) принятых сигналов, модуль расчета частоты Доплера, модуль цифрового гетеродинирования сигналов , модуль генерации открытого грубого дальномерного кода С/А, модуль поиска начала периода открытого дальномерного кода, модуль измерения фазовой поправки, модуль фазовой коррекции и разделения открытого и закрытого кода по квадратурам, модуль чтения навигационного сообщения, модуль декодирования закрытого кода путем пороговой обработки выделенной квадратуры сигнала с отслеживанием граничных значений изменения уровня сигнала и модуль генерации открытого точного дальномерного кода Р.
При этом выход аналогового канала приема спутниковых сигналов соединен с первым входом модуля выделения криптостойкой последовательности данных W(h) через последовательно соединенные модуль АЦП, модуль цифрового гетеродинирования, модуль поиска начала периода открытого дальномерного кода, модуль фазовой коррекции и разделения открытого и закрытого кода и модуль декодирования закрытого кода. Второй вход модуля декодирования соединен с выходом модуля генерации открытого точного дальномерного кода Р, а третий его вход через модуль чтения навигационного сообщения соединен со вторым выходом модуля цифрового гетеродинирования. Второй вход модуля цифрового гетеродинирования соединен с выходом модуля расчета частоты Доплера спутниковых сигналов. Второй вход модуля поиска начала периода открытого дальномерного кода соединен с выходом модуля поиска начала периода открытого дальномерного кода. Второй выход модуля поиска начала периода открытого дальномерного кода соединен через модуль измерения фазовой поправки со вторым входом модуля фазовой коррекции и разделения открытого и закрытого кода.
Введение указанных отличий позволяет повысить точность декодирования сигналов КРНС с одновременным сокращением времени на чтение навигационного сообщения.
Повышение точности декодирования сигналов КРНС и выделение из них криптостойкой последовательности данных W(h) для каждого НС обеспечивается за счет генерации открытого грубого дальномерного кода С/А, фазовой коррекции, разделения открытого и закрытого кода по квадратурам и пороговой обработки выделенной квадратуры сигнала с отслеживанием граничных значений изменения его уровня.
доп
доп
При этом не требуется точного измерения частоты Доплера fсигналов КРНС, свойственного прототипу изобретения. Чтение навигационного сообщения производится без двухчастотной обработки сигналов КРНС и без применения множества инерционных следящих контуров ФАПЧ для точного измерения частоты Доплера fсигналов КРНС.
Указанное техническое преимущество одновременно с увеличением точности декодирования сигналов КРНС обеспечивает резкое сокращение времени указанного декодировагния.
Сущность полезной модели поясняется рисунками, представленными на фиг. 1- фиг. 6.
д
На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства для обработки сигналов КРНС; на фиг. 2- вид сигнала КРНС во временной (фиг. 2а) и спектральной (фиг. 2б) форме; на фиг. 3- схема цифрового гетеродинирования сигналов КРНС; на фиг. 4- временная диаграмма сигналов P(Y) и C(A) на выбранном участке после цифрового гетеродинирования и фазовой коррекции сигнала; на фиг. 5- временная диаграмма сигналов P(Y) и результатов их декодирования D(h); на фиг 6-сравнительная оценка результатов декодирования в предложенной полезной модели и в известном устройстве обработки сигналов КРНС, как функция вероятности (Р) точного декодирования сигналов КНРС от отношения сигнал/шум (С/Ш).
На фиг. 1-6 обозначены:
1 – аналоговый канал приема сигналов частоты L1 в полосе 20 МГц.
2 – модуль аналого-цифрового преобразования АЦП.
3 – модуль расчета частоты Доплера.
4 – модуль цифрового гетеродинирования
5 – модуль генерации открытого грубого дальномерного кода С/А
6 – модуль поиска начала периода открытого дальномерного кода
7 – модуль измерения фазовой поправки
8 – модуль фазовой коррекции и разделения открытого и закрытого кода по квадратурам
9 – модуль чтения навигационного сообщения
10 – модуль декодирования закрытого кода путем пороговой обработки выделенной квадратуры сигнала с отслеживанием граничных значений изменения уровня сигнала;
11 – модуль генерации открытого точного дальномерного кода Р;
12 – модуль выделения криптостойкой последовательности данных W(h).
Раскрытие сущности полезной модели.
Устройство для обработки сигналов космических радионавигационных систем (КРНС), содержит корпус, в котором установлены последовательно соединенные аналоговый канал 1 приема сигналов частоты L1 в полосе 20 МГц, модуль 2 аналого-цифрового преобразования (АЦП) сигналов КРНС, модуль 4 цифрового гетеродинирования сигналов КРНС. Второй вход модуля 4 соединен с выходом модуля 3 расчета частоты Доплера. Первый выход модуля 4 цифрового гетеродинирования соединен через модуль 9 чтения навигационного сообщения с первым входом модуля 12 выделения криптостойкой последовательности данных W(h). Второй выход модуля 4 цифрового гетеродинирования соединен через модуль 6 поиска начала периода открытого дальномерного кода, через модуль 8 фазовой коррекции и разделения открытого и закрытого кода по квадратурам, через модуль 10 декодирования закрытого кода путем пороговой обработки выделенной квадратуры сигнала с отслеживанием граничных значений изменения уровня сигнала со вторым входом модуля 12 выделения криптостойкой последовательности данных W(h), третий вход которого соединен с выходом модуля 11 генерации открытого точного дальномерного кода Р. Второй вход модуля 6 соединен с выходом модуля 5 генерации открытого грубого дальномерного кода С/А, а его выход через модуль 7 измерения фазовой поправки соединен со вторым входом модуля 8.
Модуль 4 цифрового гетеродинирования сигнала  выполнен в виде умножителя преобразуемого сигнала  на комплексный гармонический сигнал  в соответствии с выражением
(1)
где:
доп
и  - реальная и мнимая составляющие квадратурного сигнала; f– частота Доплера, обусловленная движением КА по известной траектории относительно точки приема сигнала;
Н
φ – случайная начальная фаза принятого сигнала, обусловленная неопределенностью длинны трасы его прохождения;
L1
- принятый и оцифрованный сигнал на частоте f;
ПЧ
L1
Г
f– промежуточная частота на выходе аналогового модуля приема, равная разности f и частоты гетеродина приемного модуля f;
Д
f – частота дискретизации.
Н
Модуль 8 фазовой коррекции и разделения открытого и закрытого кода по квадратурам выполнен с возможностью фазовой коррекции сигнала  на измеряемую по известному открытому коду величину фазовой поправки Δφ из условий:
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
где:
*
k– номер отсчета сигнала, соответствующий началу периода открытого дальномерного кода С/А;
N – количество отсчетов, соответствующее длине открытого дальномерного кода С/А;
– поправка, учитывающая четверть комплексной плоскости, в которой располагается комплексное число  и вычисляемая в зависимости от знаков компонент .
Модуль 10 декодирования закрытого кода выполнен в виде блока пороговой обработки выделенной квадратуры сигнала из условия:
(7)
(8)
где:
max
min
= (V+V)/2 –порог принятия решения, равный среднему значению границ изменения сигнала;
– свертка внутри одного бита кода;
M – количество отсчетов сигнала, равное по длительности одному биту кода;
h – номер анализируемого бита кода;
L – общее количество бит в анализируемой выборке.
Устройство для обработки сигналов КРНС, работает следующим образом.
Н
Н
Канал 1 принимает сигналы КРНС на частоте L1 в полосе частот 20 МГц. Принятые сигналы КРНС в канале 1 усиливаются и передаются на модуль 2 АЦП. В модуле 2 аналоговые сигналы КРНС преобразуются в цифровую форму и передаются на модуль 4 цифрового гетеродинирования. В модуле 4 цифровое гетеродинирование сигнала  производится (фиг. 3) путем умножения преобразуемого сигнала  модуля 3, на комплексный гармонический сигнал  в соответствии с выражением (1). Результаты цифрового гетеродинирования  по первому выходу модуля 4 передаются в модуль 6, а по второму выходу - на модуль 9 чтения навигационного сообщения. Прочитанное в модуле 9 сообщение в сигнале КРНС на частоте L1 передается на первый вход модуля 12 для выделения криптостойкой последовательности данных W(h). Одновременно в модуле 6 производится поиск начала периода открытого дальномерного кода С/А на основе генерации открытого грубого дальномерного кода С/А в модуле 6. Найденное в модуле 6 начало кода С/А передается по первому выходу в модуль 8 фазовой коррекции и разделения открытого и закрытого кода по квадратурам, а по второму выходу в модуль 7 измерения фазовой поправки Δφ. Далее в модуле 8 проводят фазовую коррекцию сигнала  из условий (2) – (6) на величину фазовой поправки Δφ. Откорректированный в блоке 8 сигнал  передается на модуль 10. В модуле 10 производится декодирование закрытого кода путем пороговой обработки выделенной квадратуры сигнала с отслеживанием граничных значений изменения уровня сигнала КРНС. Пороговая обработка выделенной квадратуры сигнала производится из условий (7) – (8). Результаты пороговой обработки в модуле 10 передаются на второй вход модуля 12 выделения криптостойкой последовательности данных W(h). Одновременно в модуле 11 производится генерация открытого точного дальномерного кода Р и передача его на третий вход указанного выше модуля 12. На основе входных данных в модуле 12 производится корреляционная обработка принятых сигналов КНРС и выделение из них криптостойкой последовательности данных W(h) и декодирование информационных сообщений спутниковых систем связи.
Промышленная применимость.
Полезная модель разработана на уровне технического предложения, математической модели и программного обеспечения обработки сигналов КРНС.
Результаты математического моделирования (фиг. 6) показали возможность повышения точности декодирования сигналов КРНС на 5-15% и, как следствие, достичь заявленного технического результата полезной модели.
Источники информации.
1. OPTIMUM SEMI-CODELESS CARRIER PHASE TRACKING OF L2 К. Т. Woo NavCom Technology, Inc., Redondo Beach, California (Presented at the 12th International Technical Meeting of the Satellite Division of the Institute of Navigation, Nashville, Tennesee, September 14-17, 1999).
2. US 3047660 John P. Costas "Means for Obtaining Character Time in a Radio Communication System Receiver".
3. Цифровые радиоприемные системы: Справочник / М.И.Жодзишский, Р.Б Мазепа и др. / Под редакцией М.И. Жодзишского. - М.: Радио и связь, 1990, 208 с.
4. RU 2363099, 20.09.2008.