БЛОК ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ ГЛОБАЛЬНЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СПУТНИКОВЫХ СИСТЕМ

Полезная модель относится к области средств радионавигации и может быть использована в навигационных приемниках, работающих по сигналам глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС), в качестве блоков, осуществляющих одновременную обработку сигналов трех ГНСС - ГЛОНАСС, GPS и GALILEO - с получением выходных навигационных данных для потребителя.
Известны навигационные приемники, работающие одновременно по сигналам двух ГНСС - ГЛОНАСС и GPS, см, например, патенты: [1] - RU 2146378 C1, G01S 5/14, 10.03.2000; [2] - RU 2178894 C1, G01S 5/14, 27.01.2002. Обобщенная структурная схема этих навигационных приемников включает в себя входной блок и рассматриваемый блок обработки сигналов ГНСС. Входной блок осуществляет усиление принимаемых сигналов ГНСС до нужного уровня, их фильтрацию от помех и перенос спектра сигналов на первую промежуточную частоту, а блок обработки сигналов ГНСС осуществляет последующее преобразование сигналов по частоте, преобразование в цифровой вид, многоканальную корреляционную обработку и обработку в вычислителе с получением выходных навигационных данных.
В качестве прототипа заявляемой полезной модели принят блок обработки сигналов ГНСС, входящий в состав навигационного приемника, описанного в патенте [3] - RU 2167431 С2, G01S 5/14, 20.05.2001, фиг.1-3.
Блок обработки сигналов ГНСС, принятый в качестве прототипа, содержит преобразователь частоты с двумя каналами преобразования сигналов ГНСС ГЛОНАСС и GPS соответственно, цифровой коррелятор, блок обмена данными и вычислитель. Сигнальные входы каналов преобразователя частоты образуют сигнальный вход блока обработки сигналов ГНСС, а информационный вход-выход вычислителя образует информационный вход-выход блока обработки сигналов ГНСС.
Цифровой коррелятор содержит N каналов корреляционной обработки, сигнальные входы которых связаны с выходами указанных каналов преобразователя частоты. Количество N каналов корреляционной обработки определяется потенциально возможным количеством одновременно обрабатываемых сигналов навигационных космических аппаратов (НКА) ГНСС.
Вычислитель содержит связанные внутренней шиной обмена данными процессор, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), часы реального времени и блок внешнего интерфейса, вход-выход которого образует информационный вход-выход вычислителя, являющийся информационным входом-выходом блока обработки сигналов ГНСС.
Каналы корреляционной обработки в цифровом корреляторе блока-прототипа выполнены по стандартной схеме, которая помимо прототипа [3, фиг.3] также представлена в различных модификациях в аналогах [1, фиг.4], [2, фиг.3] и в работе [4] - Riley S., Howard N., Aardoom E., Daly P., Silvestrin P / A Combined GPS/GLONASS High Precision Receiver for Spase Applications» // Pros. jf ION GPS-95, Palm Springs, CA, US, Sept. 12-15, 1995, p.835-844. Рассматриваемая обобщенная структурная схема канала корреляционной обработки, применительно к его реализации на цифровых элементах, содержит связанные внутриканальной шиной обмена данными коммутатор входных сигналов, цифровой смеситель, цифровой демодулятор (коррелятор), блок накопления, цифровой управляемый генератор несущей, цифровой управляемый генератор кода, генератор опорного кода, программируемую линию задержки и регистр управления.
Сигнальные входы коммутатора входных сигналов образуют сигнальные входы канала корреляционной обработки. Информационные входы-выходы регистра управления образуют информационные входы-выходы канала корреляционной обработки. Выход коммутатора входных сигналов связан с сигнальным входом цифрового смесителя, опорный вход которого связан с выходом цифрового управляемого генератора несущей, а выход - с сигнальным входом цифрового демодулятора. Опорный вход цифрового демодулятора связан с выходом программируемой линии задержки, сигнальный вход которой связан с выходом генератора опорного кода, сигнальный вход которого, в свою очередь, связан с выходом цифрового управляемый генератор кода. Выход цифрового демодулятора связан с сигнальным входом блока накопления, выход которого, образующий сигнальный выход канала корреляционной обработки, связан посредством внешней шины обмена данными через блок обмена данными с вычислителем (с процессором вычислителя).
Аналогичным образом посредством внешней шины обмена данными и блока обмена данными с процессором вычислителя связаны информационные входы-выходы каналов корреляционной обработки, образованные информационными входами-выходами регистра управления.
Работа блока-прототипа происходит следующим образом.
На входы каналов преобразователя частоты с выходов входного блока, являющегося внешним устройством по отношению к блоку обработки сигналов ГНСС, поступают сигналы ГНСС ГЛОНАСС и GPS, прошедшие во входном блоке фильтрацию от помех, усиление и преобразование спектра с переносом на первую промежуточную частоту.
Преобразователь частоты в своих каналах осуществляет преобразование спектра сигналов соответствующих ГНСС с переносом спектра на вторую промежуточную частоту, а также преобразование сигналов в цифровой вид. Преобразованные сигналы ГЛОНАСС и GPS с выходов каналов поступают на сигнальные входы N каналов цифрового коррелятора, то есть на соответствующие сигнальные входы коммутаторов входных сигналов.
В N каналах цифрового коррелятора в соответствии с сигналами и командами, поступающими от вычислителя по внешней шине обмена данными через блок обмена данными, осуществляется корреляционная обработка сигналов НКА ГНСС, в процессе которой по временному положению пиков корреляционных функций псевдошумовых сигналов НКА ГНСС определяются радионавигационные параметры (например, псевдодальности), используемые далее в вычислителе для расчета местоположения объекта по сигналам ГНСС.
Работа каждого из N каналов цифрового коррелятора происходит следующим образом. С помощью коммутатора входных сигналов осуществляется выделение сигналов одной из ГНСС (ГЛОНАСС или GPS) в соответствии с управляющим сигналом, поступающим по внутриканальной шине обмена данными от регистра управления. Далее с помощью цифрового смесителя осуществляется выделение сигнала определенного НКА выбранной ГНСС и перенос спектра этого сигнала в основную полосу частот (на нулевую частоту). При этом используются сигналы, формируемые цифровым управляемым генератором несущей. Затем цифровой демодулятор (коррелятор) осуществляет последовательную корреляцию сигнала НКА с эталонными псевдослучайными последовательностями - сдвинутыми копиями опорного кода, вырабатываемыми с помощью цифрового управляемого генератора кода, генератора опорного кода и программируемой линии задержки. Результаты корреляции накапливаются в блоке накопления и периодически считываются через блок обмена данными вычислителем, реализующим все алгоритмы обработки сигналов (алгоритмы поиска сигналов, слежения за несущей и кодом, прием служебной информации и др.).
Функционирование вычислителя осуществляется по алгоритму, реализуемому процессором с помощью программ и данных, хранящихся в его ПЗУ и ОЗУ, в соответствии с временными сигналами, формируемыми в часах реального времени. Данные результатов обработки сигналов ГНСС в виде выходных навигационных данных выдаются через блок внешнего интерфейса потребителю, через этот же блок в вычислитель поступают сигналы внешнего управления.
Решения, реализованные в блоке-прототипе, основываются на обработке сигналов двух ГНСС-GPS и ГЛОНАСС. В то же время, для увеличения точности навигационных решений целесообразно использовать радионавигационные параметры от возможно большего числа НКА возможно большего числа используемых ГНСС.
Разворачиваемая в настоящее время ГНСС GALILEO, внедрение новых сигналов в новых частотных диапазонах в ГНСС GPS и обновляемая при помощи модифицированных НКА типа «ГЛОНАСС-К» группировка спутников ГНСС ГЛОНАСС с новыми сигналами с кодовым разделением требуют от блока обработки сигналов ГНСС возможности формирования большего числа соответствующих эталонных последовательностей, часть из которых (например, опорная псевдослучайная последовательность для приема сигнала GALILEO в диапазоне L1) не может быть сформирована с помощью технических средств, имеющихся в блоке-прототипе. При этом увеличение количества одновременно наблюдаемых НКА ГНСС и, соответственно, увеличение количества обрабатываемых сигналов приводит к увеличению нагрузки на блок обмена данными и процессор вычислителя, которому требуется значительное время на перекачку в ОЗУ результатов корреляции из блоков накопления каналов корреляционной обработки.
Технической задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является создание устройства, обеспечивающего возможность обработки сигналов трех ГНСС (GPS, ГЛОНАСС, GALILEO) без перегрузки вычислителя операциями обмена между его процессором и блоками накопления каналов цифрового коррелятора в условиях увеличения количества обрабатываемых сигналов.
Задача решается за счет введения контроллера прямого доступа к ОЗУ вычислителя, связывающего выходы блоков накопления каналов корреляционной обработки с ОЗУ вычислителя, а также дополнительных канальных ОЗУ в М из N каналов цифрового коррелятора, предназначенных для хранения эталонных псевдослучайных последовательностей, используемых при обработке сигналов ГНСС GALILEO.
Сущность полезной модели заключается в следующем. Блок обработки сигналов ГНСС содержит преобразователь частоты с первым каналом преобразования сигналов ГНСС ГЛОНАСС и вторым каналом преобразования сигналов ГНСС GPS, цифровой коррелятор, содержащий N каналов корреляционной обработки, сигнальные входы которых связаны с выходами указанных каналов преобразователя частоты, вычислитель, содержащий связанные внутренней шиной обмена данными процессор, ОЗУ, ПЗУ, часы реального времени и блок внешнего интерфейса, вход-выход которого образует информационный вход-выход блока обработки сигналов ГНСС, а также блок обмена данными, связывающий процессор вычислителя с информационными входами-выходами N каналов корреляционной обработки. При этом каждый из N каналов корреляционной обработки содержит связанные внутриканальной шиной обмена данными коммутатор входных сигналов, сигнальные входы которого образуют сигнальные входы канала корреляционной обработки, регистр управления, информационные входы-выходы которого образуют информационные входы-выходы канала корреляционной обработки, цифровой смеситель, сигнальный вход которого связан с выходом коммутатора входных сигналов, цифровой демодулятор, сигнальный вход которого связан с выходом цифрового смесителя, блок накопления, сигнальный вход которого связан с выходом цифрового демодулятора, а выход образует сигнальный выход канала корреляционной обработки, цифровой управляемый генератор несущей, выход которого связан с опорным входом цифрового смесителя, а также последовательно соединенные цифровой управляемый генератор кода, генератор опорного кода и программируемую линию задержки, выход которой связан с опорным входом цифрового демодулятора. В отличие от прототипа, сигнальные выходы N каналов корреляционной обработки связаны с ОЗУ вычислителя через контроллер прямого доступа, преобразователь частоты дополнительно содержит третий канал преобразования сигналов ГНСС GALILEO, выход которого связан с дополнительными сигнальными входами каналов корреляционной обработки, при этом в М из N каналов корреляционной обработки, где М≤N, введены канальные ОЗУ, предназначенные для хранения эталонных псевдослучайных последовательностей, используемых при обработке сигналов ГНСС GALILEO, связанные выходом с дополнительным входом генератора опорного кода канала корреляционной обработки, а информационными входами-выходами - с внутриканальной шиной обмена данными.
Сущность полезной модели и возможность ее осуществления поясняются представленной на фигуре структурной схемой заявляемого блока обработки сигналов ГНСС.
1
2
3
Заявляемый блок обработки сигналов ГНСС содержит преобразователь частоты 1 с тремя каналами 2 (2, 2, 2) преобразования сигналов ГНСС ГЛОНАСС, GPS и GALILEO соответственно, сигнальные входы которых образуют сигнальный вход блока обработки сигналов ГНСС, цифровой коррелятор 3, содержащий N каналов 4 корреляционной обработки, сигнальные входы которых связаны с выходами каналов 2 преобразователя частоты 1, вычислитель 5, содержащий связанные внутренней шиной обмена данными процессор 6, ОЗУ 7, ПЗУ 8, часы 9 реального времени и блок 10 внешнего интерфейса, вход-выход которого образует информационный вход-выход вычислителя 5, являющийся информационным входом-выходом блока обработки сигналов ГНСС, а также блок 11 обмена данными, связывающий процессор 6 вычислителя 5 с информационными входами-выходами N каналов 4 корреляционной обработки, и контроллер 12 прямого доступа, связывающий ОЗУ 7 вычислителя 5 с сигнальными выходами N каналов 4 корреляционной обработки, обеспечивая тем самым прямой доступ выходных сигналов каналов 4 корреляционной обработки к ОЗУ 7 вычислителя 5.
Количество N каналов 4 корреляционной обработки определяется потенциально возможным количеством одновременно обрабатываемых сигналов навигационных космических аппаратов (НКА) ГНСС ГЛОНАСС, GPS и GALILEO и может составлять, например, величину N=36.
Каждый из N каналов 4 корреляционной обработки содержит связанные внутриканальной шиной обмена данными коммутатор 13 входных сигналов, цифровой смеситель 14, цифровой демодулятор (коррелятор) 15, блок 16 накопления, цифровой управляемый генератор 17 несущей, цифровой управляемый генератор 18 кода, генератор 19 опорного кода, программируемую линию задержки 20 и регистр 21 управления. Сигнальные входы коммутатора 13 входных сигналов образуют сигнальные входы канала 4 корреляционной обработки. Информационные входы-выходы регистра 21 управления образуют информационные входы-выходы канала 4 корреляционной обработки. Выход коммутатора 13 входных сигналов связан с сигнальным входом цифрового смесителя 14, опорный вход которого связан с выходом цифрового управляемого генератора 17 несущей, а выход - с сигнальным входом цифрового демодулятора 15. Опорный вход цифрового демодулятора 15 связан с выходом программируемой линии задержки 20, сигнальный вход которой связан с выходом генератора 19 опорного кода, сигнальный вход которого, в свою очередь, связан с выходом цифрового управляемого генератора 18 кода. Выход цифрового демодулятора 15 связан с сигнальным входом блока 16 накопления, выход которого образует сигнальный выход канала 4 корреляционной обработки.
1(a)
M(a)
1(a)
M+1(б)
N(б)
N(б)
В заявляемом блоке обработки сигналов ГНСС М каналов из общего числа N каналов 4 корреляционной обработки, где M≤N, содержат дополнительно введенные канальные ОЗУ 22, предназначенные для хранения эталонных псевдослучайных последовательностей, используемых при обработке сигналов E1a и E1b ГНСС GALILEO, связанные выходом с дополнительным входом генератора 19 опорного кода, а информационными входами-выходами - с внутриканальной шиной обмена данными. Эти M каналов образуют первую группу каналов 4 корреляционной обработки (4…4), обладающих возможностью обработки сигналов трех ГНСС - ГЛОНАСС, GPS и GALILEO (на структурной схеме в качестве примера показан один такой канал 4). Вторую группу каналов 4 корреляционной обработки (4…4) составляют остальные (N-М) каналов 4, обладающих возможностью обработки сигналов двух ГНСС - ГЛОНАСС и GPS (на структурной схеме в качестве примера показан один такой канал 4). Учитывая, что количество одновременно наблюдаемых НКА ГНСС GALILEO не превысит после полного развертывания системы двенадцати НКА, канальные ОЗУ 22 могут быть размещены, например, в двенадцати (M=12) каналах из общего числа N каналов 4 корреляционной обработки, число которых может составлять, например, N=36.
1
2
3
В рассматриваемом примере выполнения заявляемого блока обработки сигналов ГНСС каждый из каналов 2 (2, 2, 2) преобразователя частоты 1 выполнен в виде последовательно соединенных двухбитного аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 23 и цифрового преобразователя 24, осуществляющего преобразование действительного квантованного сигнала в комплексный, опорные входы которых связаны по внешней шине обмена данными через блок 11 обмена данными с процессором 6 вычислителя 5. В практических схемах цифровой преобразователь 24 может быть выполнен, например, в виде последовательно соединенных цифрового гетеродина, цифрового фильтра нижних частот и квантователя с настраиваемыми порогами (на структурной схеме не показаны).
Заявляемый блок обработки сигналов ГНСС работает следующим образом.
1
2
3
На входы каналов 2 (2, 2, 2) преобразователя частоты 1 (то есть на входы АЦП 23) с входного блока, являющегося внешним устройством по отношению к блоку обработки сигналов ГНСС, поступают сигналы ГНСС ГЛОНАСС, GPS и GALILEO частотных диапазонов L1, L2 или L3, отфильтрованные во входном блоке от помех, усиленные и преобразованные по спектру с переносом на промежуточную частоту. После дискретизации в АЦП 23 сигналы ГНСС поступают на вход цифрового преобразователя 24, осуществляющего гетеродинирование сигналов, цифровую фильтрацию и приведение сигнала из действительного в комплексный вид.
1
2
3
Сформированные таким образом в преобразователе частоты 1 двухбитовые квантованные сигналы ГНСС с выходов каналов 2 (2, 2, 2) поступают на сигнальные входы N каналов 4 цифрового коррелятора 3, то есть на соответствующие сигнальные входы коммутаторов 13 входных сигналов.
В N каналах 4 цифрового коррелятора 3 осуществляется корреляционная обработка указанных сигналов в сочетании, определяемом командами, поступающими на информационные входы-выходы каналов 4 от вычислителя 5 по внешней шине обмена данными через блок 11 обмена данными. При этом также используются внешние тактовые сигналы, формируемые, например, во входном блоке. В процессе корреляционной обработки сигналов ГНСС, осуществляемой в каждом из N каналов 4 цифрового коррелятора 3 в соответствии с командами, поступающими от вычислителя 5 через блок 11 обмена данными, определяются временные положения пиков корреляционных функций псевдошумовых сигналов НКА ГНСС, представляющие собой искомые радионавигационные параметры, используемые в вычислителе 5 при вычислении местоположения объекта по сигналам ГНСС.
Работа каналов 4 цифрового коррелятора 3 происходит следующим образом.
С помощью коммутатора 13 входных сигналов осуществляется выделение сигналов одной из ГНСС в соответствии с управляющим сигналом, поступающим по внутриканальной шине обмена данными от регистра 21 управления, который управляется командами, поступающими от вычислителя 5 по внешней шине обмена данными через блок 11 обмена данными.
Далее с помощью цифрового смесителя 14 осуществляется выделение сигнала определенного НКА выбранной ГНСС (выделение сигнала данной литеры ГНСС ГЛОНСС или сигнала данного НКА ГНСС GPS или GALILEO) и перенос спектра этого сигнала на основную полосу частот (на нулевую частоту). При этом используются сигналы, формируемые цифровым управляемым генератором 17 несущей, представляющие собой синфазную и квадратурную составляющие фазы несущей частоты опорного сигнала, которые перемножаются с входным сигналом в цифровом смесителе 14. Тем самым в результате перемножения сигналов в цифровом смесителе 14 осуществляется «снятие» несущей синфазной и квадратурной составляющих обрабатываемого сигнала. Цифровой управляемый генератор 17 несущей управляется командами, поступающими от вычислителя 5 через блок 11 обмена данными по внешней шине обмена данными и далее транзитом через регистр 21 управления, обеспечивая замыкание петель слежения за частотой и фазой несущей входного сигнала цифрового смесителя 14.
После «снятия» несущей в цифровом смесителе 14 синфазная и квадратурные составляющие сигнала коррелируются в цифровом демодуляторе (корреляторе) 15 с копиями опорного кода для выбранного режима работы и ГНСС, вырабатываемыми с помощью цифрового управляемого генератора 18 кода, генератора 19 опорного кода (GPS, ГЛОНАСС или GALILEO) и программируемой линии задержки 20.
Цифровой управляемый генератор 18 кода генерирует тактовый сигнал для опорных кодов, который затем поступает на соответствующий вход генератора 19 опорных кодов. Выбор значения тактовой частоты кода осуществляется в соответствии с командами, поступающими в канал 4 от вычислителя 5 через блок 11 обмена данными по внешней шине обмена данными и далее транзитом через регистр 21 управления.
Опираясь на тактовый сигнал опорного кода, поступающий с выхода цифрового управляемого генератора 18 кода, генератор 19 опорного кода генерирует опорный код для обработки сигнала соответствующего НКА соответствующей ГНСС. Генерируемый генератором 19 опорный код уникален для каждого НКА ГНСС GPS и GALILEO, использующих кодовое разделение сигналов, и одинаков для всех НКА ГНСС ГЛОНАСС, использующих частотное разделение сигналов. Выбор вида кода, то есть вида определенной псевдослучайной кодовой последовательности, осуществляется в соответствии с командами вычислителя 5, поступающими в канал 4 по внешней шине обмена данными через блок 11 обмена данными. При этом в отличие от обработки сигналов ГНСС ГЛОНАСС и GPS, которая может производиться в любом из N каналов 4 цифрового коррелятора 3, обработка сигналов ГНСС GALILEO может осуществляться только в первой группе М каналов 4, оснащенных канальными ОЗУ 22. Дело в том, что для обработки сигналов ГНСС GALILEO в первом частотном диапазоне опорный код не формируется в генераторе 19 опорного кода, а последовательно считывается из соответствующего канального ОЗУ 22. При этом запись битов опорного кода в канальный ОЗУ 22 осуществляется в соответствии с командами вычислителя 5, поступающими в канал 4 через блок 11 обмена данными по внешней шине обмена данными и далее транзитом через регистр 21 управления.
Сформированный генератором 19 опорный код поступает на программируемую линию задержки 20. Программируемая линия задержки 20 осуществляет временной сдвиг опорного кода, формируя на выходе точную «P» (пунктуальную) и разностную «E-L» (раннюю-минус-позднюю) копии опорного кода. Копии опорного кода подаются на вход цифрового демодулятора (коррелятора) 15. Работа программируемой линии задержки 20 осуществляется под действием управляющих сигналов, формируемых регистром 21 управления под действием управляющих сигналов, поступающих в канал 4 от вычислителя 5 через блок 11 обмена данными по внешней шине обмена данными.
Результаты корреляционной обработки обрабатываемого сигнала, осуществляемой в цифровом демодуляторе (корреляторе) 15, накапливаются в блоке 16 накопления на интервале времени, равном длительности эпохи кода (1 мс), а затем при помощи контроллера 12 прямого доступа, связывающего выход блока 16 накопления с ОЗУ 7 вычислителя 5, записываются в ОЗУ 7 и далее используются процессором 6 для замыкания петель слежения за кодом и несущей обрабатываемого сигнала.
Такой способ передачи данных от блоков 16 накопления каналов 4 цифрового коррелятора 3 к вычислителю 5 исключает характерные для прототипа операции обмена между процессором 6 и блоками 16 накопления, что существенно облегчает работу вычислителя 5 в условиях увеличения количества обрабатываемых сигналов, исключая возможность его перегрузки.
Функционирование вычислителя 5 осуществляется по стандартным алгоритмам навигационного вычислителя многоканального навигационного приемника, работающего по сигналам ГНСС. Эти алгоритмы реализуются процессором 6 с помощью программ и данных, хранящихся в ПЗУ 8 и ОЗУ 7, в соответствии с временными сигналами, формируемыми в часах 9 реального времени. Результаты обработки сигналов ГНСС в виде выходных навигационных данных выдаются потребителю через блок 10 внешнего интерфейса.
Изменение режима работы заявляемого блока обработки сигналов ГНСС, при необходимости, может осуществляться, например, под действием команд внешнего управления, поступающих через блок 10 внешнего интерфейса в процессор 6 и ПЗУ 8 вычислителя 5. Изменение режима работы может также осуществляться по часам 9 реального времени в соответствии с датой вводимых изменений.
Таким образом, рассмотренное показывает, что заявляемая полезная модель осуществима и обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в создании блока обработки сигналов ГНСС, обеспечивающего возможность обработки сигналов трех ГНСС (GPS, ГЛОНАСС, GALILEO) без перегрузки вычислителя 5 операциями обмена между процессором 6 и блоками 16 накопления каналов 4 цифрового коррелятора 3 в условиях увеличения количества обрабатываемых сигналов.
Источники информации
1. RU 2146378 C1, G01S 5/14, опубл. 10.03.2000.
2. RU 2178894 C1, G01S 5/14, опубл. 27.01.2002.
3. RU 2167431 C2, G01S 5/14, опубл. 20.05.2001
4. Riley S., Howard N., Aardoom E., Daly P., Silvestrin P / A Combined GPS/GLONASS High Precision Receiver for Spase Applications» // Pros. jf ION GPS-95, Palm Springs, CA, US, Sept. 12-15, 1995, p.835-844.