УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРИЕМА СИГНАЛОВ СИСТЕМЫ СПУТНИКОВОЙ НАВИГАЦИИ

Полезная модель относится к области приема и обработки сигналов спутниковых систем навигации и может быть использована в навигаторах, обеспечивающих прокладывание маршрутов транспортный средств и других подвижных объектов, а также для ускоренного определения местоположения в условиях высокого уровня помех, частой потери сигналов спутниковой навигации или многократных отражений сигналов от различного вида объектов.
В настоящее время имеется две орбитальные группировки спутников, позволяющие осуществлять навигацию, это такие глобальные системы позиционирования как Американская GPS и Российская ГЛОНАСС. Используемые на сегодняшний день коммерческие навигационные приемники предполагают использование открытых кодов одной или обеих из них в частотных диапазонах L1 и/или L2. С появлением новой элементной базы двух стандартные, двухдиапазонные приемники, использующие все возможности видимой группировки спутников обеих систем становятся все более и более доступными и востребованными у массового потребителя.
Основной проблемой, решаемой в современных навигационных приемниках, является быстрое обнаружение и устойчивый прием сигналов, обеспечивающие быстрое определение местоположения пользователя и бесперебойное слежение за последующим его перемещением. Особенно эта задача актуальна при сложных условиях приема, таких как высокая скорость передвижения объекта и/или наличие множества препятствий, нарушающих прямую видимость спутников и приводящих к быстрой смене их видимой группировки (например, таких как плотная городская застройка). Еще одним аспектом построения современных навигационных устройств является борьба за минимизацию их энергопотребления. Одним из наиболее ресурсоемких с точки зрения аппаратных затрат и потребляемой мощности блоков, является устройство, осуществляющее корреляцию принимаемого сигнала с опорной псевдослучайной последовательностью (ПСП). С одной стороны для ускорения поиска такой блок корреляционной обработки должен иметь как можно больше параллельных корреляционных каналов, а с другой стороны для уменьшения энергопотребления количество параллельных каналов необходимо минимизировать. Таким образом, оптимальным для решения этой противоречивой задачи приемником будет устройство, позволяющее быстро и точно осуществлять захват за сигналы спутников, точно отслеживать видимые спутники и оптимизировать энергопотребление, используя для работы наиболее подходящий набор приемных каналов и отключая неиспользуемые в данный момент модули.
Известен из уровня техники патент США №6441780, опубликованный 27.08.2002 г. Данное изобретение представляет собой многоканальный двухстандартный GPS-ГЛОНАСС приемник диапазона L1. Основной задачей, решаемой известным устройством, является борьба с многолучевым распространением принимаемого со спутника сигнала. Для оценки влияния многолучевости и ее компенсации, в каждый из параллельных каналов, помимо корреляционных подканалов Р (Prompt, точная настройка ПСП) и EML (дифференциальная оценка временной синхронизации при помощи кодовой комбинации Early Minus Late - опережающей и запаздывающей ПСП), вводится дополнительный корреляционный подканал для оценки смещения строба ПСП принимаемого сигнала, а подаваемая на EML канал кодовая последовательность может суммироваться с корректирующей последовательностью символов. К недостаткам данного устройства можно отнести относительно низкую скорость захвата сигналов спутников, поскольку поиск ведется последовательным перебором всех кодовых задержек с использованием имеющегося набора параллельных каналов.
В патенте США №5101416, опубликованном 31.03.92 г., предлагается структура приемника с радиочастотным трактом, квантователем входного сигнала, содержащим в себе АРУ и блок вычисления функции плотности вероятности для каждого из уровней сигнала после квантования, N каналами приема сигнала и управляющим процессором. Все блоки связаны между собой через канальную шину обмена данными и управляющими сигналами. Обработка полезного сигнала в каждом из N каналов производится с использованием двух корреляторов. В режиме захвата один из них настраивается на Е последовательность, а другой на L последовательность. В режиме приема сигнала первый коррелятор настроен на прием сигнала без задержки (Р последовательность), а второй используется для свертки с дифференциальной E-L последовательностью. Недостатком данного изобретения, как и предыдущего можно считать ограниченную по функциональности структуру канала и последовательный перебор гипотез в каждом из имеющихся каналов, приводящий к длительному времени поиска.
Решение, предложенное в патенте США №6208291, опубликованном 27.03.2001 г., направлено на уменьшение ресурсоемкости коррелятора. Оно состоит в том, что используется несколько параллельных каналов приема, в каждом из которых для обнаружения и временной синхронизации при помощи К подканалов анализируются все возможные задержки сигнала данного спутника (в случае GPS с ПСП 1023 отсчета, при 2-х отсчетах на чип это составляет К=2046 позиций кода), а для уменьшения габаритов накопление производится при помощи многовходового мультиплексора, одного сумматора и блока памяти для хранения всех результатов накоплений, работающих на частоте в несколько раз выше частоты обработки данных в подканалах. Такая структура позволяет очень быстро произвести временную синхронизацию, но является избыточной в режиме слежения за сигналом, что неизбежно влечет за собой избыточное энергопотребление.
Заявка на выдачу патента США №20070160121, опубликованная 12.07.2007 г., предлагает альтернативный подход к уменьшению аппаратных ресурсов при построении многоканального приемника. Согласно данному изобретению в каждом из каналов производится частичная корреляция для блока символов, длиной X, и последующее суммирование результатов накопления Y таких блоков, причем X*Y равно длине ПСП. В режиме поиска тактовая частота в каналах может повышаться в несколько раз относительно режима слежения для повышения точности, а частичные когерентные накопления на смежных временных интервалах могут быть использованы для оценки доплеровского смещения частоты. Не смотря на повышенную точность подстройки в каналах, поиск в таком устройстве все так же производится последовательным перебором всех возможных гипотез при помощи имеющегося набора каналов, что приводит к длительному времени поиска. Кроме того, невозможность отключения избыточных корреляторов при слежении приводит к повышенной энергоемкости такого устройства.
Представленный в заявке на выдачу патента США №20090096668, опубликованной 16.04.2009 г., подход предполагает последовательное приближение точности настройки приемника на принимаемый сигнал, причем акцент в данном техническом решении сделан на доплеровский сдвиг частоты, а для оценки сдвига предлагается использовать БПФ, что делает такой подход неприменимым для временной области.
Еще одним известным решением является решение, раскрытое в заявке на выдачу патента США №20050276316, опубликованной 15.12.2005 г., посвященное построению многоканальных приемников, в которых ПСП генерируется в одном из каналов и передается для использования в другие каналы по цепочке, из одного в другой, а для получения сдвига кода на один символ на входе каждого из каналов установлен элемент задержки. Кроме этого, в патенте рассмотрен вариант использования такой структуры для приема GPS сигнала диапазонов L1 и L2. Как видно из описания, такое решение не направлено на ускорение поиска и точности подстройки по частоте и времени.
Решение, предложенное в патенте США №7061972, опубликованном 13.06.2006 г., использует поисковый канал, содержащий память данных и набор параллельных корреляционных каналов для слежения за сигналами спутников. Канал с памятью позволяет записать выборку данных произвольной длины в память и на высокой скорости произвести ее анализ при помощи имеющегося в канале коррелятора, следящие каналы в это время отключаются. После обнаружения сигнала, канал с памятью отключается, а прием осуществляется при помощи следящих каналов. Недостатком такой архитектуры можно считать то, что корреляционное ядро следящих каналов в режиме захвата так же используется для обработки записанного в память сигнала, т.е. выключается из приема сигнала и не позволяет одновременно проводить высокоскоростной поиск и эффективное слежение/подстройку уже найденных сигналов спутников.
Идея записи выборки сигнала и последующего поиска по записанной выборке рассмотрена так же в патенте США №6091785, опубликованном 18.04.2000 г., В изобретении предусмотрены аппаратно непересекающиеся устройство для быстрого обнаружения сигнала и набор каналов слежения. Быстрый поиск выполняется путем записи реплики принимаемого сигнала в память и сравнения ее с репликами кода во всех возможных комбинациях сдвига по частоте и по задержке ПСП. Количество хранимых в памяти реплик в этом случае будет равно количеству возможных сдвигов кода, что ведет к использованию большого элемента памяти, заменяющего в данном решении традиционные генератор ПСП и гетеродин, используемый для компенсации доплеровского сдвига частоты. Для поиска Следящие каналы используют слежение с помощью параллельных корреляторов и Е, Р и L - кодов ПСП. Помимо большой ресурсоемкое, оно ориентировано только на прием GPS сигнала, что можно так же считать недостатком приведенного в описании изобретения устройства.
Наиболее близкое с технической точки зрения устройство предложено в патенте РФ 2341898, опубликованном 20.12.2008 г., на Приемник спутниковой навигации с устройством быстрого поиска навигационных сигналов в условиях высокой динамики объекта.
Известное изобретение относится к радионавигации, в частности, к приемникам сигналов спутниковых радионавигационных систем GPS и ГЛОНАСС открытого кода частотного диапазона L1. Технический результат заключается в уменьшении времени поиска сигнала. Приемник содержит радиочастотный преобразователь, N канальный цифровой коррелятор с устройством быстрого поиска и формирователем сигналов меток времени и вычислитель, в котором устройство быстрого поиска содержит входной мультиплексор сигналов GPS/ГЛОНАСС, цифровой генератор несущей, смеситель несущей, сдвиговый регистр сигнала, регистр кода, М мультиплексоров сигнала, М мультиплексоров кода, М смесителей кода, М-входовой сумматор, интегратор, блок вычисления квадрата модуля комплексного числа, второй сумматор, ОЗУ, блок формирования адреса ОЗУ, блок выбора максимума, пороговое устройство и синхронизатор. Устройство быстрого поиска обеспечивает когерентное накопление сигнала на интервале 1 мс с последующим некогерентным накоплением в течение времени, задаваемого вычислителем в зависимости от ожидаемого отношения сигнал-шум. Управление работой приемника осуществляется при помощи микропроцессора (ЦП), использующего для хранения программы ПЗУ, для хранения промежуточных данных оперативную память (ЗУ) и осуществляющего взаимодействие с остальными блоками приемника при помощи шины данных и Блока обмена. Обмен данными с внешними относительно приемника устройствами осуществляется при помощи Блока внешнего интерфейса.
Известное устройство предназначено для ускорения поиска и не решает задач слежения и оптимизации энергопотребления.
Техническим результатом, достигаемым при реализации настоящей полезной модели является уменьшение отношения потребляемой устройством энергии к скорости поиска сигналов навигационных спутников.
Технический результат достигается за счет того, что в устройстве для приема сигналов системы спутниковой навигации, блоки слежения за сигналами спутниковой навигации выполнены с относительно низким энергопотреблением, а блок проверки гипотез о наличии сигнала спутниковой навигации в принимаемом устройством радиочастотном сигнале, выполнен с относительно высоким энергопотреблением, при этом устройство содержит антенну, соединенную с входом приемного радиочастотного тракта, демодулятор, выполненный обеспечивающим выделение сигналов, содержащих сигналы навигационных спутников, в заранее заданном диапазоне несущих частот из выходного сигнала приемного радиочастотного тракта, генератор сигналов эпохи, длительность интервалов между которыми равна длительности эпохи системы спутниковой навигации, блоки слежения за сигналами, формируемыми навигационными спутниками, причем каждый из блоков слежения выполнен определяющим время поступления сигнала одного навигационного спутника в приемный радиочастотный тракт, формирователь гипотезы и блок проверки гипотезы, причем гипотеза представляет собой представленные в машиночитаемом виде данные, обеспечивающие формирование последовательности проверяемых сигналов, соответствующих последовательности сигналов, формируемых одним из спутников системы спутниковой навигации, а блок проверки гипотезы выполнен с возможностью обнаружения наличия и положения, относительно сигналов эпохи, последовательности проверяемых сигналов в сигналах, выделенных демодулятором, по крайней мере, за две эпохи, при этом, блок проверки гипотезы выполнен с возможностью передачи проверенной гипотезы, вместе с данными об указанном положении, на соответствующий блок слежения за сигналом соответствующего навигационного спутника, выполненный обеспечивающим непрерывное определение положения гипотезы относительно сигнала эпохи, и блок проверки гипотезы выполнен также с возможностью запроса новой гипотезы после проверки гипотезы, как при наличии, так и при отсутствии последовательности проверяемых сигналов в сигналах, выделенных демодулятором.
В одном из вариантов реализации блока формирования гипотезы, гипотеза содержит представленные в машиночитаемом виде данные, соответствующие допплеровскому смещению частоты сигнала соответствующего спутника, а блок проверки гипотезы выполнен с возможностью масштабирования во времени цифровой последовательности, в соответствии с заданным гипотезой допплеровским смещением.
В частном случае реализации полезной модели, каждый из блоков слежения за сигналом содержит отдельный дополнительный демодулятор, выполненный обеспечивающим выделение сигналов, содержащих сигналы навигационных спутников, в заранее заданном диапазоне несущих частот из выходного сигнала приемного радиочастотного тракта, с возможностью задания несущей частоты, с учетом допплеровского смещения, при этом блок быстрого поиска может быть выполнен в виде согласованного фильтра, выполненного в виде тактируемого сдвигового регистра сигнала навигационных спутников и программируемого регистра кода, с возможностью проведения когерентного и/или некогерентного выявления корреляции путем сравнения, на каждом такте, отдельных разрядов кода регистра кода и соответствующих отдельных разрядов кода сдвигового регистра, причем, при выявлении заранее заданного значения корреляции, обеспечивается передача проверенной гипотезы, вместе с данными об указанном положении, соответствующем такту, на котором была выявлена корреляция, а при других значениях корреляции считается, что последовательность проверяемых сигналов в сигналах, выделенных демодулятором, отсутствует.
Также полезная модель может содержать, по крайней мере, два блока быстрого поиска, выполненных с раздельными или с одним общим тактируемым сдвиговым регистром сигнала навигационных спутников.
В частном случае реализации изобретения, заранее заданное значение корреляции может быть задано аппаратным методом, путем указания диапазона значений корреляции, удовлетворяющих условиям поиска. При этом, в качестве выявленного значения корреляции можно выбрать максимальное найденное значение корреляции, при условии его нахождения в указанном диапазоне. Полезная модель может быть выполнена с возможностью накопления корреляционных данных за время не менее двух эпох.
Также, в частном случае, часть из блоков слежения за сигналами, формируемыми навигационными спутниками, выполнена с обеспечением указанными блоками повышенной точности определения времени поступления сигнала одного навигационного спутника в приемный радиочастотный тракт, причем если заранее заданное значение корреляции меньше второго заранее заданного значения корреляции, обеспечивается передача проверенной гипотезы, вместе с данными об указанном положении, соответствующем такту, на блок слежения за сигналами с обеспечением повышенной точности. Генератор сигналов эпохи в одном из вариантов полезной модели может быть выполнен в виде делителя частоты сигналов, формируемых тактовым генератором, общим для всех блоков устройства, кроме того, блок формирования гипотез может быть выполнен формирующим сигнал отсутствия гипотез, после перебора всех возможных гипотез, а блок проверки гипотез выполнен с возможностью отключения от цепей питания при формировании указанного сигнала.
Блок-схема полезной модели, в составе приемника спутниковой навигации с блоком корреляционной обработки навигационных сигналов представлена на Фиг.1.
На Фиг.2 показан блок входного интерфейса, используемый совместно с полезной моделью.
Структура имитатора, предназначенного для проверки работоспособности полезной модели, представлена на Фиг.3.
Функциональная схема канала представлена на Фиг.4.
Структура канала повышенной точности показана на Фиг.5.
Один из вариантов реализации программируемой линии задержки, реализованной в полезной модели, раскрыт на Фиг.6.
На Фиг.7 представлен канал прямого чтения данных, предназначенный для реализации методов программного поиска.
На Фиг.8 раскрыт один из вариантов выполнения блока проверки гипотезы согласно полезной модели.
Изображенный на Фиг.1 приемник, преимущественно, предназначен для приема трех типов сигналов: сигналов ГЛОНАСС диапазона L1 и L2 и сигнала GPS диапазона L1.
Приемник содержит схематически изображенную антенну, соединенную с входом приемного радиочастотного тракта (РЧ), содержащего демодулятор, например, гетеродинного типа и/или использующего цифровую фильтрацию и выделение модулирующего сигнала. Демодулятор обеспечивает выделение сигналов, содержащих сигналы навигационных спутников, в заранее заданном диапазоне несущих частот, например, сигналов ГЛОНАСС диапазона L1 и L2 и сигнала GPS диапазона L1 из выходного сигнала приемного радиочастотного тракта.
Генератор сигналов эпохи или генератор временной шкалы, показанный на Фиг.1 в виде отдельного блока и связанных с ним функционально соответствующих входов других блоков и модулей полезной модели, формирует сигналы, длительность интервалов между которыми равна длительности эпохи системы спутниковой навигации. Генератор временной шкалы формирует шкалу времени приемника, которая представляет собой импульс миллисекундной эпохи Epoch с длительностью в один такт clk и периодом 1 мс, и генерирует сам тактовый сигнал clk, необходимый для синхронизации работы всех блоков и модулей приемника.
Устройство также содержит представленные на Фиг.1 блоки слежения за сигналами, формируемыми навигационными спутниками, выполненные в виде следящих каналов и/или каналов повышенной точности, выполненные с относительно низким энергопотреблением. Каждый из блоков слежения, преимущественно, выполнен определяющим время поступления сигнала одного навигационного спутника в приемный радиочастотный тракт или другим образом определяющим положение сигнала спутника относительно сформированного сигнала эпохи, и накапливающим свертку сигнала с опорной кодовой последовательностью на длительности одной эпохи для выделения принятой информации.
Пониженное энергопотребление блоков слежения за сигналами обеспечивается путем сокращения числа и/или частоты операций, необходимых для определения временных параметров сигнала соответствующего навигационного спутника. В частности, блок слежения может быть выполнен обеспечивающим определение положения сигнала соответствующего навигационного спутника, исходя из отношения сигнал/шум принимаемого сигнала, многолучевой среды распространения сигнала, конечной скорости перемещения объекта, на котором установлена полезная модель и других особенностей эксплуатации устройства. Соответственно, при хороших условиях приема, определение положения сигнала ведется в заранее заданном временном диапазоне и потому область неопределенности и точность анализа при временной синхронизации может уменьшаться путем отключения части корреляторов в блоке. Т.о. часть периода функционирования блок слежения может находиться в режиме покоя когда, сохраняется минимально достаточная функциональность и потребление энергии существенно сокращается или прекращается полностью.
В случае, если допплеровское смещение может существенно ухудшить прием сигнала спутниковой навигации, каждый из блоков слежения за сигналом содержит отдельный дополнительный демодулятор, выполненный обеспечивающим выделение сигналов, содержащих сигналы навигационных спутников, в заранее заданном диапазоне несущих частот из выходного сигнала приемного радиочастотного тракта, с возможностью задания несущей частоты, с учетом допплеровского смещения.
Блоки слежения за сигналом могут быть разных типов, как с минимальной функциональностью, позволяющие только удерживать синхронизацию с обнаруженным сигналом спутника и выделять полезный сигнал, так и с расширенной функциональностью (каналы повышенной точности), позволяющие проводить допоиск сигнала в плохих условиях приема.
В одном из вариантов реализации блок слежения может представлять собой канал прямого чтения данных, обеспечивающий накопление, необходимую предварительную обработку, например, такую как коррекция доплеровского сдвига частоты, и выдачу данных по запросу внешних устройств.
Устройство также содержит формирователь гипотезы, в частном случае, выполненный в виде генератора псевдослучайной последовательности или генератора кода. Блок проверки гипотезы, реализуемый, например, в виде блока быстрого поиска, выполнен с относительно высоким энергопотреблением, это, в частности, обусловлено тем, что блок проверки гипотезы должен иметь возможность за минимальное время проверить наличие сигнала спутника (или ПСП) в принимаемом радиочастотном сигнале, определить временной сдвиг сигнала спутника относительно сигнала эпохи, а также, по возможности, определить допплеровское смещение частоты, вызванное взаимным перемещением спутника и объекта, на котором установлен приемник. Решение такой задачи требует большого числа операций. В том числе, параллельных, поэтому нецелесообразно постоянно использовать большое число блоков проверки гипотез, а, при отсутствии необходимости проверки гипотез, указанный блок может быть обесточен. Сама гипотеза может содержать только ПСП одного из спутников, а также может содержать дополнительные данные, например, допплеровское смещение частоты, исходя из предполагаемой скорости перемещения объекта относительно спутника. Блок проверки гипотезы обеспечивает возможность обнаружения наличия и положения, относительно сигналов эпохи, последовательности проверяемых сигналов в сигналах, выделенных демодулятором, по крайней мере, за две эпохи.
Блок проверки гипотезы соединен с шиной данных, адресов и управления устройства, что обеспечивает возможность передачи проверенной гипотезы, вместе с данными об указанном положении, на один из блоков слежения за сигналом обнаруженного навигационного спутника, выполненный обеспечивающим непрерывное определение и подстройку положения гипотезы относительно сигнала эпохи и обеспечивающим, таким образом, оптимальное выделение принимаемого сигнала. Также, блок проверки гипотезы выполнен с возможностью запроса и/или установки через шину данных, адресов и управления, новой гипотезы после проверки гипотезы, как при наличии, так и при отсутствии последовательности проверяемых сигналов в сигналах, выделенных демодулятором. Блок проверки гипотезы может обеспечивать, как самостоятельную генерацию нескольких значений допплеровского смещения, с обеспечением параллельной проверки сигналов с учетом смещения, так и получать их извне, например, формирование значения допплеровского смещения может обеспечиваться блоком формирования гипотезы. В любом случае, блок проверки гипотезы может обеспечивать возможность масштабирования во времени цифровой последовательности, в соответствии с заданным допплеровским смещением. Для простой реализации такой возможности блок проверки гипотезы может работать с тактовой частотой, существенно превышающей частоту следования разрядов ПСП или иметь набор одинаковых блоков, обеспечивающих параллельный анализ всей или только части области неопределенности по частоте и по времени, что также повышает его энергопотребление.
На схеме, приведенной на Фиг.1, блоком проверки гипотезы является блок быстрого поиска, который выполнен в виде согласованного фильтра, выполненного в виде тактируемого сдвигового регистра сигнала навигационных спутников и программируемого регистра кода, с возможностью проведения когерентного и/или некогерентного выявления корреляции путем сравнения, на каждом такте, отдельных разрядов кода регистра кода и соответствующих отдельных разрядов кода сдвигового регистра. Применение некогерентного накопления в данном блоке позволяет существенно повысить вероятность обнаружения сигнала спутника в неблагоприятной помеховой обстановке. Передача проверенной гипотезы, при выявлении заранее заданного значения корреляции, вместе с данными об указанном положении, соответствующем такту, на котором была выявлена корреляция, а также, при необходимости, значением допплеровского смещения обеспечивается либо по общей шине данных адресов и управления, либо через соответствующие интерфейсы.
Изображенный на Фиг.1 приемник, может выполняться работающим под контролем внешнего блока управления, который может состоять из центрального процессора, памяти программ такой, например, как ПЗУ, и оперативного запоминающего устройства для хранения промежуточных и окончательных данных. При этом объединение всех блоков в единое функционально-законченное устройство выполняется посредством блока обмена, обеспечивающего необходимый обмен данными и управляющими командами.
Для обмена данными с внешними относительно полезной модели устройствами используются блоки входного интерфейса и блок внешнего интерфейса, при это блок входного интерфейса выполнен преобразующим поступающий сигнал в формат машиночитаемых данных, используемых в полезной модели, а блок внешнего интерфейса осуществляет обратное преобразование, необходимое для обмена данными с внешними устройствами.
В дальнейшем, некоторые варианты реализации устройства раскрыты более подробно.
Решение задачи быстрого поиска, слежения и оптимизации энергопотребления решается при помощи Блока корреляционной обработки (БКО). БКО представляет собой, с функциональной точки зрения, многоканальный коррелятор (МКК) с различными типами каналов, состоящий из Q Блок быстрого поиска (ББП), Z Каналов повышенной точности (КПТ), N Следящих каналов (СК), Капала прямого чтения данных (КПЧД), Блока входного интерфейса (БВИ), Блока обмена (БО), Имитатора сигналов (ИС) и Генератора временной шкалы (ГВШ). Для большей наглядности чертежей, множество идентичных параллельных каналов и их межблочных соединений показано на примере одного блока такого типа, причем передаваемые из блока в блок сигналы являются многоразрядными шинами, включающими в себя все сигналы, передаваемые между этими блоками.
Блок входного интерфейса предназначен для организации взаимодействия между БКО и радио трактом, а так же подключения входов корреляционных каналов к выходу имитатора сигнала в режиме самотестирования.
Сигналы, подлежащие обработке в БКО, подаются на его вход из трех радиочастотных. трактов аналоговой приемно-усилительной части навигационного приемника: LI GPS (СА), L1 ГЛОНАСС(СТ) и L2 ГЛОНАСС(СТ). Каждый из трех входных сигналов является комплексным. Вещественная и мнимая компоненты сигналов могут быть одноразрядными или двухразрядными в формате "знак-амплитуда.
С выхода БВИ сигналы подаются на входы поисковых и следящих каналов, а так же прямого канала, где выполняется их обработка в соответствии с заданными настройками каждого из каналов. В рабочем режиме МКК функционирует во взаимодействии с навигационным процессором (ЦП). ЦП посредством Блока обмена считывает результаты корреляционной обработки из каналов и записывает данные управления каналами в соответствующие регистры каналов. Необходимые для синхронной многоканальной корреляционной обработки тактовые синхросигналы формируются в Генераторе временной шкалы.
Рассмотрим устройство отдельных блоков и их взаимодействие в процессе работы подробнее:
Как видно из чертежа, блока входного интерфейса, показанного на Фиг.2, помимо трех мультиплексоров (MUX GN1, MUX GN2 и MUX GP1), переключающих вход БКО в режим самотестирования и обратно в рабочий режим, в нем реализованы счетчики уровней входных сигналов (Счетчик GN1, Счетчик GN2 и Счетчик GP1). Счетчики предназначены для подсчета среднего уровня сигналов, поступающих от радиочастотной части. Для оценки уровня сигналов в каждом подканале на заданном интервале накапливается число единичных состояний каждого из битов входных сигналов. В конце накопления результат передается на выход устройства и может быть использован для регулировки уровня входного АРУ. Для самотестирования на соответствующие входы мультиплексоров подается сигнал GPS (MUX GP1) или ГЛОНАСС (MUX GN1 и MUX GN2).
Имитатор предназначен для формирования сигнала, который с достаточной достоверностью повторяет сигнал одного из спутников GPS либо GLONASS. Этот сигнал может использоваться вместо входного сигнала из радиочасти в приемнике, что позволяет проверить работу модулей, входящих в его состав.
В состав имитатора, представленного на Фиг.3, входят генератор сигнала, генератор ПСП, модулятор, доплеровский гетеродин, перемножитель, генератор шума с масштабирующим умножителем, и сумматор.
Генератор ПСП служит для задания опорной ПСП, имитирующей ПСП спутника. Модулятор служит для наложения меандра с частотой 50 Гц, генерируемого генератором сигнала, на выходной сигнал генератора ПСП. Это имитирует биты информационной последовательности, которые модулируют ПСП со спутника. Доплеровский гетеродин служит для формирования опорного сигнала, который используется для переноса ПСП с нулевой частоты на доплеровскую. Уровень шума задается масштабирующим коэффициентом Кш. После формирования требуемой смеси сигнала и шума в сумматоре полученный сигнал ограничивается при помощи ограничителя до входной разрядности Блока корреляционной обработки.
Блок обмена, в наиболее общем случае, представляет собой микроконтроллер, связанный с ЦП шиной данных. При передаче управляющих сигналов от ЦП к блокам БКО, микроконтроллер получает из ЦП сигналы управления, декодирует их, считывает необходимые данные из оперативной памяти ЗУ и передает их в соответствующие блоки. При передаче данных от блоков к ЦП микроконтроллер выполняет обратную операцию, считывая полученные данные с выходов блоков и записывая их в оперативную память для дальнейшей обработки их в ЦП. Другим вариантом реализации БО может быть блок регистров, представляющий собой двухпортовую оперативную память, хранящую текущие настройки каналов и результаты их работы, доступ к элементам которой с одной стороны есть у всех блоков БКО, а с другой стороны у ЦП.
Генератор временной шкалы формирует шкалу времени приемника, которая представляет собой импульс миллисекундной эпохи Epoch с длительностью в один такт clk и периодом 1 мс, и генерирует сам тактовый сигнал clk, необходимый для синхронизации работы всех блоков и модулей приемника.
Следящие каналы (СК) предназначены для слежения за сигналом спутников GPS L1/ ГЛОНАСС L1/ ГЛОНАСС L2. Канал включает в себя подканал прямого сигнала Prompt (Р) и дифференциальный подканал "Early-Minus-Late" (EML). В подканале Prompt вычисляется свертка сигнала, перенесенного на нулевую частоту с ПЧ (с учетом доплеровской), с заданной ПСП спутника. В подканале EML сигнал на нулевой частоте сворачивается с другой, дифференциальной ПСП, которая представляет собой произведение ранней и поздней версий ПСП. Это дает свертку с дифференциальной корреляционной характеристикой, имеющей пики различных знаков соответственно для ранней и поздней ПСП. Процессом слежения управляет ЦП, периодически считывая вычисленные свертки прямого и дифференциального каналов и выдавая коррекции фазы ПСП в зависимости от величины и знака сверток прямого и дифференциального подканалов. Со стороны ЦП задается частота гетеродина, чиповая частота ПСП и их начальные фазы, а также задается сама ПСП, формируемая в канале.
На входе канала, представленного на Фиг.4, с помощью мультиплексора (MUX), управляемого сигналом ЦП S (Select), осуществляется выбор между сигналами GPS L1/ ГЛОНАСС L1/ ГЛОНАСС L2, после чего выбранный сигнал перемножается на опорный сигнал гетеродина (Ген. нес). Затем сигнал с выхода мультиплексора подается на два подканала: Prompt и EML. В подканале Prompt сигнал перемножается на опорную ПСП, после чего накапливается в интеграторе (Инт. Р) на длительности эпохи. В подканале EML сигнал перемножается на дифференциальную ПСП, после чего также накапливается в соответствующем интеграторе (Инт.EML) на длительности эпохи. Генератор ПСП общий для двух подканалов, он генерирует опорную ПСП, из которой при помощи линии задержки и вычитателя формируется дифференциальная ПСП.
Каналы повышенной точности (КПТ) также могут использоваться в качестве следящих каналов GPS L1/ ГЛОНАСС L1/ ГЛОНАСС L2. Вместе с тем, большее количество подканалов, обеспечивающих большую точность слежения, делают их наиболее эффективными при слежении за спутниками с маленьким отношением сигнал/шум или в условиях сильной многолучевости распространения сигнала.
Другим назначением каналов повышенной точности в составе устройства является допоиск полезного сигнала в тех случаях, когда сигнал спутника обнаружен блоком проверки гипотезы (блоком быстрого поиска), но точность слежения за ним все еще недостаточна по тем или иным критериям алгоритма обнаружения сигнала.
Каждый из каналов повышенной точности, представленный на Фиг.5, состоит из L подканалов с регулируемой отстройкой по времени прихода входного сигнала, от 0 до t тактов частоты оцифровки. Канал осуществляет перенос сигнала с ПЧ с учетом доплеровской частоты на нулевую (аналогично каналам КС), после чего сворачивает его с ПСП и накапливает результат на протяжении заданного времени (от 1 до 32 эпох). Таким образом, в каждом подканале возможно получение оценки принимаемого сигнала на длительности, превышающей длительность эпохи.
Работа каждого подканала в канале КПТ разрешается записью единицы в соответствующий бит L-разрядного Регистра состояния. Если работа подканала запрещена, то он переключается в режим пониженного энергопотребления. Таким образом, запретив работу всех L подканалов, дезактивируется весь канал.
Результатами работы канала являются накопления в интеграторах на длительности эпохи (Инт.1) и длительности нескольких эпох (Инт.2). Длительность накопления задается ЦП посредством БО как число от 0 до 31, которое определяет число эпох, в течение которых будут производиться накопления.
Формирование опорной ПСП для каждого из подканалов выполняется при помощи одного Генератора кода и Программируемой линии задержки (ПЛЗ) с L-1 отводами. Количество отводов на единицу меньше количества подканалов, поскольку на первый канал опорная ПСП подается без задержки.
В одном из вариантов программируемой линии задержки (ПЛЗ), представленной на Фиг.6, для подключения любого элемента Линии задержки, хранящей отсчеты ПСП, к любому из L-1 выходов ПЛЗ используется L-1 коммутаторов, каждый из которых своими входами соединен с элементами линии задержки. Управление переключением коммутаторов осуществляется Блоком управления задержками, получающим управляющий сигнал из блока обмена и декодирующим его в управляющие сигналы коммутаторов.
Канал прямого чтения данных (Фиг.7) предназначен для реализации методов программного поиска с использованием БПФ либо других программных алгоритмов поиска и слежения. Он включает в себя входной мультиплексор, гетеродин для переноса сигнала с ПЧ и компенсации доплеровского смещения, интегратор с программируемой длительностью накоплений и буфер данных типа ФИФО.
Первоначально, входные данные попадают в мультиплексор, который, в зависимости от настроек, выбирает один из входов. Затем данные переносятся с ПЧ на нулевую частоту путем умножения на сигнал гетеродина. Результат перемножения накапливается в интеграторе, результаты накоплений сохраняются в буфере данных типа ФИФО глубиной в 2048 отсчетов, откуда ЦП может считать их через БО.
Блок проверки гипотезы, на примере ББП, показанного на Фиг.8, работает следующим образом:
Блоки быстрого поиска предназначены для поиска сигналов спутников в диапазонах GPS L1/ ГЛОНАСС L1/ ГЛОНАСС L2. Поиск производится по всем гипотезам по задержке ПСП при заданной ПСП и доплеровской частоте, в связи с чем данный блок представляет собой, по сути, блок проверки гипотезы. Результатом поиска является амплитуда максимального полученного корреляционного пика и его позиция относительно сигнала эпохи в чипах и долях чипа с дискретом в полчипа.
ББП производит вычисление взаимокорреляционной функции (ВКФ) входного сигнала и ПСП в 2046(GPS)/2044(GLONASS) позициях ПСП относительно сигнала.
Выбор опорной ПСП, используемой для поиска, осуществляется подачей управляющего сигнала «GP/GN», переключающего регистр кода, хранящего опорные последовательности, из режима поиска GPS в режим поиска ГЛОНАСС. Значения корреляции когерентно накапливаются на длительности 1-16 эпох, после чего результат когерентного накопления учитывается в некогерентном накоплении от 1 до 16 раз.
ББП может находиться в режиме ожидания и в режиме поиска. В режиме ожидания обработка поступающих данных не производится, результаты последнего поиска хранятся в ОЗУ блока и доступны для ЦП через Блок обмена. По команде ЦП Блок быстрого поиска переключается в режим поиска или останавливается. Это производится путем подачи сигнала запуска/остановки (Start/Stop) на соответствующий вход Блока управления.
Блок управления управляет общей работой устройства и формирует все необходимые для работы сигналы. В блоке вырабатывается необходимый для работы Мультиплексоров кода (MUXc 1 - MUXc М) и Мультиплексоров сигнала (MUXs 1 -MUXs М), а также Смесителей кода (Смес.кода 1 - Смес.Кода М) синхронизирующий сигнал (Synchro). Прекращение подачи данного сигнала прекращает работу указанных блоков. Кроме этого Блок управления формирует сигнал включения/выключения (Enable, показан пунктирной линией для большей наглядности чертежа), посредством которого производится включение/выключение наиболее энергоемких узлов ББП. Таким образом, использованием сигналов «Synchro» и «ЕпаЫе» достигается экономия энергопотребления в тех случаях, когда устройство отключено, и одновременно доступность его ОЗУ для ЦП. Помимо этого блок управления управляет настройками когерентных и некогерентных накоплений, переключением ключа выдачи информации из ОЗУ КН в CIС-фильтр, изменением порядка CIC-фильтра и адресацией данных в ОЗУ при записи/чтении.
В режиме поиска входные сигналы блока с антенны и радиочастотного тракта поступают на мультиплексор (MUX), где из трех входных сигналов выбирается один для обработки. Затем сигнал перемножается на опорный сигнал доплеровского гетеродина, частота которого задается ЦП. Результат перемножения децимируется в n раз (если необходимо, до достижения 2-х отсчетов на чип ПСП для GPS и 4-х отсчетов на чип для ГЛОНАСС) и сохраняется в линии задержки. Так сохраняются 2046(GPS)/2044(GLO) результата, после чего ББП начинает вычислять ВКФ отсчетов сохраненного сигнала с ПСП, хранящейся в памяти. Вычисленная комплексная ВКФ аккумулируется в буфере когерентных накоплений по адресу, соответствующему анализируемой позиции сигнала относительно ПСП (в начальный момент по адресу 0). При первом когерентном накоплении происходит загрузка числа в ОЗУ КН (ОЗУ когерентного накопления), при остальных - накопление.
После этого сохраненная в линии задержки выборка циклически сдвигается, снова вычисляется ВКФ и накапливается в ОЗУ КН по следующему адресу. Это повторяется 2046/2044 раза, что дает ВКФ для всех взаимных положений данных относительно ПСП. Для получения когерентного накопления на длительности нескольких эпох данный процесс вычисления повторяется несколько раз, результаты последующих комплексных ВКФ суммируются с предыдущими в ОЗУ КН. Количество повторений задается ЦП.
Сформированные когерентные оценки всех позиций сдвига опорного кода выдаются через ключ, контролируемый Блоком управления на вход КИХ фильтра с единичными коэффициентами (СIC). Поскольку сигнал обрабатывается на частоте больше чиповой, использование фильтрации позволяет собрать энергетику нескольких чипов в один и максимизировать таким образом истинный корреляционный пик. Порядок фильтра изменяется в зависимости от настроек, передаваемых из Блока управления (для GPS 2-ой, для ГЛОНАСС 4-й).
По накоплению заданного количества когерентных накоплений и фильтрации, блок быстрого поиска производит некогерентное накопление: вычисляет мощность для каждой позиции когерентного накопления и накапливает их в ОЗУ НКН (некогерентньгх накоплений). На первом обращении к ОЗУ НКН происходит загрузка данных в ОЗУ, на остальных - накопление.
Весь приведенный выше цикл повторяется столько раз, сколько сигналом из ЦП задано некогерентных накоплений. Из результатов НКН выбирается максимальный и запоминается его позиция; если максимумов несколько, запоминается первый встреченный из них. Кроме того, результаты НКН на всем протяжении работы ББП сравниваются с порогом досрочного останова поиска (Пороговое устройство). В случае превышения любым накоплением этого порога поиск останавливается, а позиция накопления запоминается в блоке поиска максимума. По окончании всех операций машина переключается в режим ожидания. Приведенная процедура поиска применяется как для GPS, так и ГЛОНАСС.
Технический результат, от реализации устройства заключается в том, что оптимизируется энергопотребление за счет оптимального, включения/выключения наиболее подходящих для решения текущей задачи корреляционных каналов (ББП, СК и КПТ), Расширение точности и скорости поиска новых спутников за счет когерентно-некогерентного накопления в ББП Увеличение возможностей слежения за многолучевым сигналом за счет использования КПТ Возможность точного дополнительного поиска сигналов при помощи КПТ. Возможность оценки необработанного в корреляторах сигнала посредством использования Канала прямого чтения данных.