Способ и устройство для нелинейного уплотнения навигационного сигнала ГЛОНАСС
METHOD AND DEVICE FOR NONLINEAR COMPACTION OF GLONASS NAVIGATION SIGNAL

Заявленная группа изобретений относится к системам формирования сигнала спутниковой радионавигационной системы ГЛОНАСС, а именно к средствам управления передачей сигнала и его коррекции.
Из уровня техники известны системы формирования навигационного сигнала ГЛОНАСС, в частности способ формирования группового сигнала ГЛОНАСС (см. статья А.Ю. Середа, К.В. Детюк «Бортовой информационно-навигационный комплекс КА «ГЛОНАСС-К». Инженерный вестник Дона №3, том. 21, 2012, стр. 115-119, Издательство Северо-Кавказский научный центр высшей школы федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования Южный федеральный университет) (1) при помощи которого осуществляется формирование и излучение навигационных сигналов с частотным разделением в диапазонах L1, L2, а именно сигналов с открытым доступом L1OF, L2OF, и сигналов с санкционированным доступом L1SF, L2SF, также, при помощи него осуществляется формирование и излучение навигационного сигнала с кодовым подразделением в диапазоне L3, а именно сигнала с открытым доступом L3OC. Недостатком указанной в качестве наиболее близкого аналога системы (1) является то, что при помощи нее невозможно формировать и излучать сигнал с кодовым разделением в диапазонах L1, L2, что порождает дополнительные взаимные задержки между формируемыми сигналами с частотным и кодовым разделением, приводя к погрешности формирования сигнала.
Техническим результатом предложенной группы изобретений является снижение частоты дискретизации формирователя, а также упрощение реализации данной схемы на цифровых устройствах посредством реализации всех вычислений в табличном виде.
Технический результат заявленного изобретения достигается посредством создания группы изобретений способа нелинейного уплотнения группового навигационного сигнала ГЛОНАСС, включающего формирование навигационных сигналов с кодовым и частотным разделением в диапазонах L1, L2 и сигнала с кодовым разделением L3, их усиление и излучение через одну антенну, при котором сигналы с кодовым и частотным разделением в каждом из диапазонов L1, L2 образуют суммарный сигнал, имеющий амплитудную модуляцию, при этом цифровой формирователь навигационного сигнала с частотным и кодовым разделением выполнен в виде устройства нелинейного уплотнения группового навигационного сигнала, которое формирует групповой навигационный сигнал, описываемый следующей функцией
L1SC
L1OC
BT
CT
0
s(t)=sign[s(t)+s(t)+s(t)+s(t)]⋅exp(j2πƒt),
0
где ƒ - несущая частота составного сигнала,
sign(z) - операция амплитудного ограничения,
L1SC
L1OC
BT
CT
s(t), s(t), s(t), s(t) - комплексные сигналы,
1
L1SC
L1OC
BT
CT
ƒ=(1,005+k⋅0,5625) - разница, в мегагерцах, между несущей частотой сигналов высокой точности ВТ и стандартной точности СТ и несущей частотой сигналов L1SC и L1OC, выровненный сигнал sign[s(t)+s(t)+s(t)+s(t)] является модулирующим сигналом, его синфазная составляющая подается на синфазный (I) вход квадратурного модулятора, а квадратурная составляющая - на квадратурный (Q) вход, по формуле определяющей входные сигналы квадратурного модулятора:
сигналы I(t) и Q(t) формируют цифровым способом, при этом функции sin, cos, а также функция  могут быть реализованы только табличным способом.
В частном случае выполнения способа вычисления I(t) и Q(t) реализуют в форме табличной функции фаз компонент.
а
а
Также технический результат достигается за счет создания устройства для нелинейного уплотнения навигационного сигнала ГЛОНАСС. Устройство для нелинейного уплотнения навигационного сигнала ГЛОНАСС содержит бортовое синхронизирующее устройство, соединенное с цифровым распределителем сигналов, который содержит цифровой формирователь навигационного радиосигнала L1 с частотным и кодовым разделением, выполняющее функции устройства нелинейного уплотнения, соединенный с усилителем мощности навигационного радиосигнала L1 с частотным и кодовым разделением, который соединен с режекторным фильтром, цифровой формирователь навигационного радиосигнала L2 с частотным и кодовым разделением, соединенный с усилителем мощности навигационного радиосигнала L2 с частотным и кодовым разделением, цифровой формирователь навигационного радиосигнала L3 с кодовым разделением, соединенный с усилителем мощности навигационного радиосигнала L3 с кодовым разделением, с режекторного фильтра и усилителей мощности навигационного радиосигнала L2 с частотным и кодовым разделением и навигационного радиосигнала L3 с кодовым разделением сигнал передается на триплексер и далее на антенну, при этом устройство нелинейного уплотнения содержит генератор псевдослучайной последовательности навигационного сигнала L1SC соединенный с входом сумматором (15), генератор псевдослучайной последовательности навигационного сигнала L1BT, соединенного с блоком умножения на коэффициент  (26), который соединен со входами перемножителей (20) и (22), выход перемножителя (20) соединен со входом сумматора (16), выход перемножителя (22) соединен со входом сумматора (17), генератор псевдослучайной последовательности навигационного сигнала L1CT соединен с блоком умножения на коэффициент  (27), соединенный выходом со входом перемножителей (21) и (23), выход перемножителя (21) соединен с входом сумматора (16), а выход перемножителя (23) с входом сумматора (17), генератор псевдослучайной последовательности навигационного сигнала L1OC соединен с входом сумматора (18), выход сумматора (16) соединен с входом сумматора (15), выход сумматора (17) соединен со входом сумматора (18), выходы сумматоров (15) и (18), соединены с формирователем входных сигналов квадратурного модулятора, формирующего на выходе синфазную составляющую модулирующего сигнала I(t), которая подается на синфазный (I) вход квадратурного модулятора, на вход перемножителя (24), выход которого соединен с сумматором (19) и квадратурную составляющую Q(t) модулирующего сигнала, которая подается на квадратурный (Q) вход квадратурного модулятора, на вход перемножителя (25), выход которого соединен со входом сумматора (19), входы перемножителей (24) и (25) соединены с фазовращателем (29).
Заявленное изобретение проиллюстрировано следующими схемами:
Фиг. 1 - Схема построения бортового информационно-навигационного комплекса,
Фиг. 2 - Схема построения УНУ сигналов ГЛОНАСС в диапазоне L1,
На чертежах обозначено следующее:
1 - Бортовое синхронизирующее устройство;
2 - Цифровой формирователь навигационного радиосигнала L1 с частотным и кодовым разделением, выполняющее функции устройства нелинейного уплотнения;
3 - Цифровой формирователь навигационного радиосигнала L2 с частотным и кодовым разделением;
4 - Цифровой формирователь навигационного радиосигнала L3 с кодовым разделением;
5 - Усилитель мощности навигационного радиосигнала L1 с частотным и кодовым разделением;
6 - Усилитель мощности навигационного радиосигнала L2 с частотным и кодовым разделением;
7 - Усилитель мощности навигационного радиосигнала L3 с кодовым разделением;
8 - Режекторный фильтр;
9 - Триплексер;
10 - Антенна;
11 - Генератор псевдослучайной последовательности навигационного сигнала L1SC;
12 - Генератор псевдослучайной последовательности навигационного сигнала L1BT;
13 - Генератор псевдослучайной последовательности навигационного сигнала L1CT;
14 - Генератор псевдослучайной последовательности навигационного сигнала L1OC;
15, 16, 17, 18, 19 - Сумматоры;
20, 21, 22, 23, 24, 25 - Перемножители;
а
26, 27 - блок умножения на коэффициент ;
28 - формирователь входных сигналов квадратурного модулятора;
29 - фазовращатель.
Способ нелинейного уплотнения группового навигационного сигнала ГЛОНАСС осуществляется следующим образом. Формирование группового выровненного навигационного сигнала, подробно раскрытое в заявке на изобретение RU 2017133048 от 22.09.2017 [1], включает формирование навигационных сигналов с кодовым и частотным разделением в диапазонах L1, L2 и сигнала с кодовым разделением L3, их усиление и излучение через одну антенну, при котором сигналы в диапазонах L1, L2 с кодовым и частотным разделением суммируются на входе усилителя мощности при этом образуется суммарный сигнал, имеющий амплитудную модуляцию, далее групповой сигнал синтезируют методом оптимального выравнивания для этого все сигналы представляются в комплексной форме, далее сигнал преобразуется в выравнивателе, который исключает амплитудную модуляцию.
Возможен альтернативный способ формирования группового выровненного навигационного сигнала, отличающийся тем, что формирование осуществляется на нулевой поднесущей частоте и вся процедура формирования может быть реализована в табличном виде, удобном для реализации в цифровых устройствах.
Схема построения бортового информационно-навигационного комплекса (фиг. 1) для излучения через одну антенну аналогична схеме, предложенной в [1]. Отличием является устройство нелинейного уплотнения (УНУ) группового навигационного сигнала, объединяющего кодовые и частотные радиосигналы. Формируемый групповой сигнал описывается следующей комплексной функцией:
0
где ƒ - несущая частота составного сигнала, выбранная равной 1600,995 МГц, для упрощения УНУ.
sign(z) - операция амплитудного ограничения, приравнивает модуль комплексного числа z к единице, а аргумент оставляет неизменным, в соответствии с формулой
L1SC
L1OC
BT
CT
s(t), s(t), s(t), s(t) - комплексные сигналы, определяемые по формулам:
L1SC
L1SC
s(t)=ПСП(t),
L1OC
L1OC
s(t)=j⋅ПСП(t),
BT
ВТ
1
ВТ
1
1
a
a
s(t)=ПСП(t)⋅⋅exp[j2πƒt]=ПСП(t)⋅⋅[cos(2πƒt)+j⋅sin(2πƒt)],
CT
СТ
1
СТ
1
1
СТ
1
1
а
а
а
s(t)=ПСП(t)⋅⋅exp[j(2πƒt+π/2)]=ПСП(t)⋅⋅[cos(2πƒt+π/2)+j⋅sin(2πƒt+π/2)]=ПСП(t)⋅⋅[-sin(2πƒt)+j⋅cos(2πƒt)];
L1SC
L1OC
ВТ
СТ
ПСП(t), ПСП(t), ПСП(t), ПСП(t) - модулирующие последовательности навигационных сигналов L1SC, L1OC, L1BT, L1CT, принимающие значения {1; -1};
где:
L1OC - сигнал открытого доступа с кодовым разделением в диапазоне L1;
L1SC - сигнал санкционированного доступа с кодовым разделением в диапазоне L1;
L1BT - сигнал высокой точности с частотным разделением в диапазоне L1;
L1CT - сигнал стандартной точности с частотным разделением в диапазоне L1;
а
- коэффициент, подобранный так, чтобы в составном сигнале мощность сигналов ВТ и СТ была в два раза меньше мощности сигналов L1SC и L1OC;
1
ƒ=(1,005+k⋅0,5625) - разница, в мегагерцах, между несущей частотой сигналов ВТ и СТ и несущей частотой сигналов L1SC и L1OC.
L1SC
L1OC
BT
CT
0
0
Формула (1) является основой для построения УНУ. Выровненный сигнал sign[s(t)+s(t)+s(t)+s(t)] является модулирующим сигналом. Его синфазная составляющая подается на синфазный (I) вход квадратурного модулятора, а квадратурная составляющая - на квадратурный (Q) вход. Множитель ехр(j2πƒt) описывает перенос модулирующего сигнала на несущую частоту ƒ.
L1SC
L1OC
BT
CT
В суммарном сигнале [s(t)+s(t)+s(t)+s(t)] можно выделить синфазную x(t) и квадратурную y(t) часть:
Отсюда получаем формулу, определяющую входные сигналы квадратурного модулятора:
Схема формирования составного сигнала, в соответствии с формулами (1)-(3), приведена на фиг. 2. В этой схеме энергетические потери составляют 17,17%. Сигналы I(t) и Q(t) должны формироваться цифровым способом. При этом функции sin, cos, а также функция  могут быть реализованы только табличным способом. Возможна также реализация вычисления I(t) и Q(t) в форме табличной функции фаз компонент. Это уменьшит объем хранимых данных, а также исключит операции суммирования и умножения, используемые в схеме на фиг. 2.
Устройство для нелинейного уплотнения навигационного сигнала ГЛОНАСС содержит бортовое синхронизирующее устройство (1), соединенное с цифровым формирователем радиосигнала, содержащего цифровой распределителем сигналов (2), который содержит цифровой формирователь навигационного радиосигнала L1 с частотным и кодовым разделением, выполняющий функции устройства нелинейного уплотнения, соединенный с усилителем мощности навигационного радиосигнала L1 с частотным и кодовым разделением (5), который соединен с режекторным фильтром (8); цифровой формирователь навигационного радиосигнала L2 с частотным и кодовым разделением (3), соединенный с усилителем мощности навигационного радиосигнала L2 с частотным и кодовым разделением (6); цифровой формирователь навигационного радиосигнала L3 с кодовым разделение (4), соединенный с усилителем мощности навигационного радиосигнала L3 с кодовым разделением (7), с режекторного фильтра (8) и усилителей мощности навигационного радиосигнала L2 с частотным и кодовым разделением (6) и навигационного радиосигнала L3 с кодовым разделением (7) сигнал передается на триплексер (9) и далее на антенну (10).
а
а
Устройство нелинейного уплотнения содержит генератор псевдослучайной последовательности навигационного сигнала L1SC (11), соединенный с входом сумматором (15), генератор псевдослучайной последовательности навигационного сигнала L1BT (12), соединенный с блоком умножения на коэффициент  (26), который соединен со входами перемножителей (20) и (22), выход перемножителя (20) соединен со входом сумматора (16), выход перемножителя (22) соединен со входом сумматора (17), генератор псевдослучайной последовательности навигационного сигнала L1CT (13) соединен с блоком умножения на коэффициент  (27), соединенный выходом со входом перемножителей (21) и (23), выход перемножителя (21) соединен с входом сумматора (16), а выход перемножителя (23) с входом сумматора (17), генератор псевдослучайной последовательности навигационного сигнала L1OC (14) соединен с входом сумматора (18), выход сумматора (16) соединен с входом сумматора (15), выход сумматора (17) соединен со входом сумматора (18), выходы сумматоров (15) и (18), соединены с формирователем входных сигналов квадратурного модулятора (28), формирующего на выходе синфазную I(t) составляющую модулирующего сигнала, которая подается на синфазный (I) вход квадратурного модулятора, на вход перемножителя (24), выход которого соединен с сумматором (19) и квадратурную Q(t) составляющую модулирующего сигнала, которая подается на квадратурный (Q) вход квадратурного модулятора, на вход перемножителя (25), выход которого соединен со входом сумматора (19), входы перемножителей (24) и (25) соединены с фазовращателем (29).
Предложенная система формирования группового навигационного сигнала ГЛОНАСС позволяет снизить частоту дискретизации формирователя, а также допускает реализацию всех вычислений в табличном виде, что упрощает реализацию данной схемы на цифровых устройствах.