МНОГОСИСТЕМНЫЙ РАДИОЧАСТОТНЫЙ БЛОК СПУТНИКОВОГО НАВИГАЦИОННОГО ПРИЕМНИКА

Полезная модель относится к многосистемным радиочастотным блокам спутникового навигационного приемника (СНП), которые могут найти широкое применение для одновременного приема навигационных сигналов от нескольких навигационных систем, например: глобальной навигационной спутниковой системы России (ГЛОНАСС), глобальной системы позиционирования США (Global Positioning System - GPS), глобальной навигационной спутниковой системы Европейского союза и Европейского космического агентства (Galileo), глобальной спутниковой навигационной системы КНР (Compass).
Известно, что одновременное использование сигналов нескольких навигационных систем дает ряд преимуществ [1], где указано, что одновременное использование двух систем ГЛОНАСС (Россия) и GPS (США) позволяет радикально повысить достоверность определения координат до уровня, недостижимого при использовании любой отдельно взятой системы.
Известно устройство для приема сигналов от спутниковых навигационных систем GPS, Galileo и ГЛОНАСС [2], используемое для построения радиочастотного блока по схеме супергетеродинного приемника с двумя преобразованиями. Это устройство содержит следующие блоки: общие высокочастотные (ВЧ) первый и второй полосовые фильтры, малошумящий усилитель (МШУ) и первый смеситель, один общий синтезатор частоты для формирования частот первого и второго гетеродинов и тактовой частоты, два канала промежуточной частоты (ПЧ), каждый из которых включает полосовой фильтр первой ПЧ, второй смеситель, усилитель ПЧ с регулировкой усиления, аналого-цифровой преобразователь (АЦП).
Недостатками вышеупомянутого устройства являются высокая потребляемая мощность, отсутствие возможности подключения активной и пассивной антенн, невозможность интегрирования двух фильтров первой ПЧ и, как следствие этого, большие габариты устройства.
Известны метод и система построения общего радиочастотного блока для приема сигналов спутниковых навигационных систем GPS, Galileo и ГЛОНАСС [3], при которых приемник содержит общие ВЧ полосовой фильтр, ВЧ усилитель с автоматической регулировкой усиления (АРУ) и общие квадратурные смесители. Тракт обработки сигнала после квадратурных смесителей является общим для всех систем, а разделение на отдельные частотные полосы производится цифровыми фильтрами после общих АЦП.
Недостатком такого приемника является низкая помехозащищенность: наличие помехи, расположенной в диапазоне частот одной из принимаемых систем, может привести к блокированию общего тракта ПЧ, в результате чего оказывается невозможным прием сигналов всех трех систем.
Также известно устройство двухсистемного радиочастотного блока спутникового навигационного приемника [4]. Радиочастотный блок содержит общий радиочастотный вход, разветвитель сигналов и два кристалла интегральных схем (ИС), одна из которых принимает сигналы системы ГЛОНАСС, а вторая - системы GPS.
Недостатками такого радиочастотного блока, изготовленного по технологии "система в корпусе", являются повышенные габариты (22 мм × 12 мм), большая потребляемая мощность, низкая надежность из-за необходимости использования нескольких интегральных схем (ИС), невозможность организации работы с двумя антенными входами: для подключения пассивной и активной антенн.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению выбран многосистемный радиочастотный блок СНП МАХ2769В (производства компании MAXIM) [5]. Радиочастотный блок СНП МАХ2769В изготовлен в виде ИС по технологии "система на кристалле", и может работать с навигационными сигналами от четырех навигационных систем, а именно: глобальной системы позиционирования США (GPS), глобальной навигационной спутниковой системы России (ГЛОНАСС), глобальной навигационной спутниковой системы Европейского союза и Европейского космического агентства (Galileo), глобальной спутниковой навигационной системы КНР (Compass). Радиочастотный блок МАХ2769В выполнен по схеме с одним преобразованием, может работать в режимах с низкой ПЧ или нулевой ПЧ и содержит все блоки для построения радиочастотного тракта, включая МШУ с двумя входами, квадратурные смесители I и Q, фильтр ПЧ с возможностью подавления зеркального канала, усилители ПЧ с программируемым коэффициентом усиления, генератор управляемого напряжением (ГУН), опорный генератор, синтезатор частоты, два АЦП и интерфейс. Выходные сигналы радиочастотного блока MAX2769B могут быть как цифровыми со встроенных АЦП, так и дифференциальными аналоговыми.
Недостатком радиочастотного блока МАХ2769В является то, что он не может работать одновременно по сигналам глобальной навигационной спутниковой системы России (ГЛОНАСС) и остальных заявленных навигационных систем, а именно: глобальной системы позиционирования США (Global Positioning System - GPS), глобальной навигационной спутниковой системы Европейского союза и Европейского космического агентства (Galileo) и глобальной спутниковой навигационной системы КНР (Compass). Таким образом, для приема сигналов всех четырех заявленных навигационных систем необходимо построение радиочастотного блока с использованием как минимум двух ИС МАХ2769В, одна из которых обрабатывает сигналы системы ГЛОНАСС, а вторая - сигналы систем GPS, Galileo и Compass. Недостатком такого решения является то, что при этом возрастают габариты радиочастотного блока, увеличивается потребляемая мощность, снижается надежность конструкции за счет увеличенного количества используемых элементов, усложняется управление режимами работы радиочастотного блока.
В настоящей полезной модели заявляется многосистемный радиочастотный блок спутникового навигационного приемника, техническим результатом которого является повышение достоверности определения координат, уменьшение габаритов устройства и потребляемой мощности, повышение надежности конструкции.
Предлагаемый многосистемный радиочастотный блок спутникового навигационного приемника, изготовляют по технологии «система на кристалле», с использованием структуры приемного тракта с одним преобразованием частоты, выполнен с возможностью одновременной работы с глобальной навигационной спутниковой системой России (ГЛОНАСС), глобальной системой позиционирования США (Global Positioning System - GPS), глобальной навигационной спутниковой системы Европейского союза и Европейского космического агентства (Galileo), глобальной спутниковой навигационной системы КНР (Compass), содержит общие для приема сигналов всех систем малошумящий усилитель, высокочастотный усилитель и квадратурные смесители I и Q и имеет возможность подключения совмещенной ГЛОНАСС/GPS/Galileo/Compass пассивной антенны и совмещенной ГЛОНАСС/GPS/Galileo/Compass активной антенны, содержит схему питания с детектированием подключения совмещенной активной антенны и автоматическим переключением на прием с активной антенны и отключением встроенного малошумящего усилителя, подключенного ко входу от совмещенной пассивной антенны, использует совмещенный ГЛОНАСС/GPS/Galileo/Compass полосовой фильтр между малошумящим усилителем и высокочастотным усилителем, содержит два канала промежуточной частоты, каждый из которых содержит фазовращатель-сумматор, подключенный к выходам квадратурных смесителей I и Q, аналоговый коммутатор, фильтр промежуточной частоты с подстраиваемой полосой пропускания, усилитель промежуточной частоты с регулировкой усиления, выходной линейный буфер, двухбитный аналого-цифровой преобразователь с выбором порогов, детектор аналогового и цифрового выходных сигналов, цифроаналоговый преобразователь для управления коэффициентом усиления усилителя промежуточной частоты через последовательный интерфейс, содержащий систему автоматической калибровки полосы фильтров промежуточной частоты, синтезатор частоты, состоящий из генератора управляемого напряжением, делителя частоты генератора управляемого напряжением для формирования тактовой частоты корреляторов, делителя тактовой частоты и делителя опорной частоты для формирования частоты сравнения, частотно-фазового детектора, фильтра синтезатора частоты с фазовой автоподстройкой частоты, формирователь квадратурных сигналов гетеродина для квадратурных смесителей, последовательный интерфейс для управления режимами работы составных частей многосистемного радиочастотного блока,
Указанный технический результат достигается за счет того, что многосистемный радиочастотный блок спутникового навигационного приемника производит разделение сигнала ГЛОНАСС в первый канал промежуточной частоты и комбинированного сигнала GPS/Galileo/Compass во второй канал промежуточной частоты с помощью встроенных широкополосных фазовращателей-сумматоров.
При этом, при разделении сигналов ГЛОНАСС и GPS/Galileo/Compass многосистемный радиочастотный блок использует общий смеситель I и общий смеситель Q и два широкополосных фазовращателя-сумматора, соединенные таким образом, что каждый из фазовращателей-сумматоров образуют совместно с общим смесителем I и общим смесителем Q два смесителя, каждый из которых выполнен по структуре с подавлением зеркальной частоты. А также использует частоту преобразования для общих квадратурных смесителей I и Q, относительно которой объединенный спектр сигналов всех навигационных систем расположен симметрично.
При этом заявляемый многосистемный радиочастотный блок СНП использует регулировку усиления усилителя промежуточной частоты управляющими сигналами от встроенного цифро-аналогового преобразователя, управляемого через последовательный интерфейс, или путем использования встроенной системы автоматической регулировки усиления, работающей от выходных аналоговых или цифровых сигналов с заданием порога регулирования от встроенного цифро-аналогового преобразователя, таким образом, что интегральный процент превышения порогов двухбитных аналого-цифровых преобразователей равен прямому или дополнительному коду встроенного цифро-аналогового преобразователя.
Заявленная полезная модель иллюстрируется фигурой, на которой показана структурная схема предлагаемого многосистемного радиочастотного блока спутникового навигационного приемника, изготовленного по технологии "система на кристалле".
Как видно из фигуры, радиочастотный блок 1 имеет вывод 2 и разъем 3 для подключения совмещенной ГЛОНАСС/GPS/Galileo/Compass пассивной антенны 4 и совмещенной ГЛОНАСС/GPS/Galileo/Compass активной антенны 5 соответственно. Совмещенная ГЛОНАСС/GPS/Galileo/Compass пассивная антенна 4 через вывод 2 подключена ко входу встроенного малошумящего усилителя 6 (МШУ), выход которого подключен ко входу совмещенного ГЛОНАСС/GPS/Galileo/Compass полосового фильтра 7. Совмещенная ГЛОНАСС/GPS/Galileo/Compass активная антенна 5 через разъем 3 подключена ко входу совмещенного ГЛОНАСС/GPS/Galileo/Compass полосового фильтра 7 и к выходу схемы питания 8 активной антенны, которая формирует напряжение питания для активной антенны, детектирует подключение совмещенной активной антенны, ограничивает ток по цепи питания активной антенны в случае короткого замыкания и в отсутствие короткого замыкания по цепи питания активной антенны осуществляет автоматическое переключение на прием сигналов с активной антенны 5 и отключение встроенного МШУ 6 для экономии тока потребления радиочастотного блока. При отключении активной антенны 5 или возникновении короткого замыкания в цепи питания активной антенны схема 8 осуществляет включение встроенного МШУ 6 и автоматическое переключение на прием сигналов от совмещенной пассивной антенны 4.
Высокочастотный тракт 9 многосистемного радиочастотного блока 1 является общим для сигналов всех навигационных систем, например: глобальной навигационной спутниковой системой России (ГЛОНАСС), глобальной системой позиционирования США (Global Positioning System - GPS), глобальной навигационной спутниковой системы Европейского союза и Европейского космического агентства (Galileo), глобальной спутниковой навигационной системы КНР (Compass). Выход совмещенного ГЛОНАСС/GPS/Galileo/Compass полосового фильтра 7 соединен со входом ВЧ усилителя 10, выход которого подключен ко входам квадратурных смесителей 11 (I) и 12 (Q), на которые поступают квадратурные гетеродинные сигналы с формирователя квадратурных сигналов гетеродина 13.
Выходы квадратурных смесителей 11 и 12 подключены ко входам аналоговых коммутаторов 14 и 15 и входам фазовращателей-сумматоров 16 и 17, выходы которых подключены ко вторым входам аналоговых коммутаторов 14 и 15, с помощью которых осуществляется выбор режимов работы тракта промежуточной частоты.
Радиочастотный блок 1 содержит два идентичных тракта промежуточной частоты (ПЧ) 18 и 19. В состав трактов ПЧ входят настраиваемые фильтры ПЧ 20 и 21, входы которых подключены к выходам аналоговых коммутаторов 14 и 15, а выходы - ко входам усилителей промежуточной частоты (УПЧ) 22 и 23 с автоматической регулировкой усиления (АРУ). Выходы УПЧ 22 и 23 подключены ко входам дифференциальных аналоговых буферов 24 и 25 и входам аналого-цифровых преобразователей (АЦП) 26 и 27, выходы которых совместно с выходами дифференциальных аналоговых буферов 24 и 25 подключены к выводам 28 и 29, через которые сигналы навигационных систем в аналоговом или цифровом виде поступают на внешний коррелятор 30. Детектирование выходных аналоговых и цифровых сигналов тракта ПЧ осуществляется детекторами 31 и 32, имеющими возможность задания уровня детектирования от встроенных цифроаналоговых преобразователей (ЦАП) 33 и 34, код для которых задается через блок последовательного интерфейса 35. Выходные управляющие сигналы детекторов 31 и 32 поступают на входы управления коэффициентами усиления УПЧ 22 и 23, образуя систему АРУ УПЧ. АРУ тракта ПЧ может работать в нескольких режимах:
- с линейными дифференциальными выходами, при этом АРУ работает по выходным линейным сигналам,
- с цифровыми выходами со встроенных двухразрядных АЦП 26 и 27, пороги которых устанавливаются через последовательный интерфейс 35, а сигналы для детекторов 31 и 32 систем АРУ берутся с выходов УПЧ 22 и 23,
- с цифровыми выходами со встроенных двухразрядных АЦП 26 и 27, сигналы для детекторов 31 и 32 систем АРУ берутся с выходов АЦП 26 и 27, а порог детектирования устанавливается с помощью ЦАП 33 и 34 через последовательный интерфейс 35 таким образом, что интегральный процент превышения по цифровым сигналам магнитуды равен прямому или дополнительному коду, задаваемому на ЦАП 33 и 34.
Полоса пропускания фильтров ПЧ 20 и 21 автоматически настраивается при включении питания радиочастотного блока с помощью системы автоподстройки 36, использующей в качестве опорной частоту от внешнего опорного генератора 37. При необходимости полоса пропускания фильтров ПЧ может быть изменена установкой соответствующего кода через последовательный интерфейс 35.
В состав радиочастотного блока входит синтезатор частоты 38, формирующий сигнал с частотой в два или четыре раза выше требуемой частоты для квадратурных смесителей. Синтезатор частоты 38 состоит из генератора управляемого напряжением (ГУН) 39, дифференциальный выход которого подключен ко входам формирователя квадратурных сигналов гетеродина 13 и делителя 40 частоты ГУН, формирующего сигнал тактовой частоты, используемой для работы внешнего коррелятора 30. Выход делителя частоты 40 подключен ко входу делителя частоты 41, формирующего поделенную частоту ГУН, подаваемую на частотно-фазовый детектор (ЧФД) 42. На второй вход ЧФД 42 подается сигнал частоты сравнения, формируемый делителем 43 опорной частоты, подаваемой с выхода внешнего опорного генератора 37. Выход ЧФД 42 подключен ко входу встроенного фильтра 44 синтезатора 38 с фазовой автоподстройкой частоты (ФАПЧ). Выход фильтра 44 соединен с управляющим входом ГУН 39. Коэффициенты деления делителей 40, 41 и 43 могут быть как программируемыми через последовательный интерфейс, так и, в частном случае, фиксируемыми. Полоса синтезатора частоты 38 может быть подстроена регулировкой фильтра 44, параметры элементов которого устанавливаются через последовательный интерфейс 35. ГУН 39 имеет систему автоматической подстройки поддиапазона, срабатывающей по включению питания радиочастотного блока или при подаче соответствующей команды через последовательный интерфейс 35.
Приемный тракт радиочастотного блока выполнен по схеме с одним преобразованием с низкой ПЧ и с использованием общих квадратурных смесителей. ВЧ часть тракта начиная с антенны и до выхода квадратурных смесителей является общей для сигналов всех навигационных систем, что обеспечивает минимизацию потребляемой мощности и уменьшение габаритов за счет минимизации количества внешних элементов. В частности, используется только один внешний ВЧ фильтр, пропускающий сигналы всех систем. Для преобразования сигналов всех навигационных систем используется один общий источник квадратурных сигналов гетеродина, сформированный с помощью полностью интегрированного синтезатора частоты.
Приемный тракт от выходов квадратурных смесителей до выходов ПЧ может быть сконфигурирован различным образом через последовательный интерфейс. В частности, для повышения помехоустойчивости приемный тракт может быть переключен с помощью аналоговых коммутаторов 14 и 15 в режим с разделением сигналов системы ГЛОНАСС и систем GPS, Galileo и Compass на раздельные каналы ПЧ. При этом сигналы с выходов квадратурных смесителей подаются на широкополосные фазовращатели-сумматоры 16 и 17, которые в широком диапазоне частот осуществляют сдвиг фазы выходных сигналов с квадратурных смесителей и суммируют их. При этом полезный сигнал складывается в фазе, а, зеркальный сигнал по отношению к полезному - в противофазе. Фазовращатели-сумматоры 16 и 17 построены по идентичной схеме, но подключены к выходам общих квадратурных смесителей таким образом, что на выход одного фазовращателя-сумматора проходит только сигнал системы ГЛОНАСС, а на выходы второго - сигналы систем GPS, Galileo и Compass. Таким образом, помеха в полосе сигнала ГЛОНАСС будет подавлена на выходе фазовращателя-сумматора для GPS, Galileo и Compass, и, наоборот, помеха в полосе сигнала, например, GPS будет подавлена на выходе фазовращателя-сумматора для ГЛОНАСС. В этом случае, узкополосная помеха не сможет заблокировать прием сигналов сразу по всем системам многосистемного СНП, построенного с использованием радиочастотного блока по заявленной полезной модели, что увеличивает достоверность определения координат в сложных условиях приема, т.е. повышает помехоустойчивость СНП.
Опытные образцы многосистемного радиочастотного блока СНП по технологии "система на кристалле" изготовлены на основе проектной документации ЗАО "НТЛаб-СИСТЕМЫ" и собраны в 32-выводной корпус типа QFN с шагом по выводам 0.5 мм и размерами корпуса: длина - 5 мм, ширина - 5 мм, высота - 0.9 мм. Испытания показали, что они соответствуют тем требованиям, которые предъявляются к средствам измерений многоситемных СНП.
1. И.Корнеев, В.Немудров, В.Польщиков, О.Лагутин. Специализированная СБИС - основа цифрового навигационного приемника ГЛОНАСС/GPS. «Электронные компоненты», №4 за 2007 г.
2. Патент США №US 6600909 В1, 29.07.2003 г.
3. Патент №ЕР 2 194 393 А2, 30.11.2009 г.
4. Патент РФ на полезную модель №77525, 17.06.2008 г.
5. - http://www.maxim-ic.com/datasheet/index.mvp/id/7267