ЭЛЕКТРОННОЕ УСТРОЙСТВО ОПЕРАТИВНОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ ИЗМЕРЕНИЙ ПСЕВДОДАЛЬНОСТИ
ELECTRONIC DEVICE FOR RAPID RECOVERY OF PSEUDORANGE MEASUREMENTS

Изобретение относится к области создания портативных навигационных приемников, а также средств автономного контроля навигационных сигналов спутниковых систем ГЛОНАСС/GPS.
Известно, что измерения, проводимые навигационным приемником, представляют собой сдвиг фаз (псевдодальность измеренная) псевдослучайной последовательности бит (ПСП), обозначим его Δφ, а для решения навигационной задачи необходимо получить величину, характеризующую истинную дальность от приемника до навигационного аппарата с точностью до величины сдвига шкалы времени приемника относительно шкалы времени аппарата. Данная величина называется псевдодальностью и определяется по формуле:
где:
- R - диапазон однозначности измерений;
- K - такое натуральное число, что 0≤L-L'<R, где
- L' - истинная дальность от навигационного спутника до приемника в момент измерения.
Диапазон однозначности измерений определяется длиной периода ПСП. Задача определения L' называется задачей восстановления измерений псевдодальности. Возможно два пути решения данной задачи:
- определение К каждый раз при поступлении очередного измерения;
- однократное определение K (в начале приема) и дальнейшее непрерывное отслеживание измерений Δφ с целью уточнения величины К.
Первый способ на сегодняшний день является стандартным подходом и реализован во многих навигационных GPS/ГЛОНАСС приемниках, например в навигационных приемниках производства КБ «НАВИС». Данный способ характеризуется более простой реализацией, однако при обработке потока измерений с высоким темпом требует существенных вычислительных ресурсов и, соответственно, высоких энергозатрат.
Второй способ позволяет существенно снизить потребность в вычислительных ресурсах навигационного приемника, однако для надежной работы данного способа необходимо, чтобы в потоке измерений было относительно мало потерь.
В заявленном электронном устройстве оперативного восстановления измерений псевдодальности реализован второй подход.
Из уровня техники известен (см. патент США на изобретение US 7911378, опубл. 19.12.2008) метод и система, которая имеет множество спутников Global Navigational Satellite System GNSS и систему нарастания, метод включает шаги приобретения исходного кода измерения псевдодальности и исходное измерение проходимой фазы от сигнала, передаваемого со спутника GNSS в системе GNSS, получение кода исправлений от системы нарастания, использование кода исправления для правки исходного кода измерения псевдодальности и исходной измерения проходимой фазы для уменьшения ошибок в сигнале, чтобы иметь в результате скорректированный код измерения псевдодальности и скорректированное измерение проходимой фазы и использование доминирующего кода измерения в фильтре, который вырабатывает аппозицию и оценку неопределённости.
Недостатком изобретения является то, что восстановление измерений псевдодальности осуществляется программным способом, а для этого требуются большие энергозатраты и большие вычислительные мощности.
Техническим результатом заявленного изобретения является:
- восстановление измерений псевдодальности при потерях сигнала вплоть до нескольких десятков минут, последовательно формируемых измерительным каналом навигационного приемника, в реальном времени;
- уменьшение габаритов (площади, размеров) устройства вследствие уменьшения количества функциональных элементов, что делает возможным ее использование в составе современных навигационных приемников систем ГЛОНАСС/GPS;
- уменьшение энергопотребления;
- повышение темпа обработки потока измерений;
- повышение быстродействия навигационных приемников за счет эффективного аппаратного решения задачи восстановления измерений псевдодальности.
Технический результат достигается тем, что электронное устройство оперативного восстановления измерений псевдодальности состоит из первого и второго регистра с функцией сброса, первого, второго, третьего, четвертого, пятого и шестого регистра, одного инвертора, первого, второго, третьего и четвертого сумматора, одного умножителя, модуля прогноза, модуля коррекции и модуля обновления памяти, при этом выход первого регистра с функций сброса соединен со вторым входом модуля прогноза и с первым входом второго регистра с функцией сброса, выход второго регистра с функцией сброса соединен с четвертым входом модуля прогноза, выход четвертого регистра соединен с седьмым входом модуля прогноза, выход первого регистра является входом второго регистра, выход которого соединен с инвертором, выход инвертора соединен со вторым входом первого сумматора, выход первого регистра соединен с первым входом первого сумматора и третьим входом модуля прогноза, выход первого сумматора соединен с пятым входом модуля прогноза, выход третьего регистра соединен с шестым входом модуля прогноза, первый выход модуля прогноза соединен с первым входом второго сумматора, а второй и третий выход модуля прогноза соединены со вторым и третьим входами модуля коррекции соответственно, первый вход модуля коррекции соединен со вторым входом электронного устройства, выход третьего регистра соединен с четвертым входом модуля коррекции, выход модуля коррекции соединен со вторым входом второго сумматора, выходы первого и второго регистров с функцией сброса соединены с первым и вторым входами модуля обновления памяти соответственно, выход третьего сумматора соединен с третьим входом модуля обновления памяти, выход пятого регистра соединен с четвертым входом модуля обновления памяти, первый выход модуля обновления памяти соединен со вторыми входами первого и второго регистров с функцией сброса, а второй выход модуля обновления памяти соединен с первым входом первого регистра с функцией сброса и является выходом электронного устройства, выход второго сумматора соединен с входом четвертого регистра и с первым входом четвертого сумматора, выход шестого регистра является вторым входом четвертого сумматора, выход которого, в свою очередь, соединен со вторым входом умножителя, первым входом которого является выход третьего регистра, выход умножителя соединен со вторым входом третьего сумматора, первым входом которого является второй вход электронного устройства, первый вход электронного устройства соединен с первым входом модуля прогноза и входов первого регистра, при этом модуль прогноза предназначен для вычисления прогнозируемого на следующий такт измерения псевдодальности, модуль коррекции предназначен для коррекции значения К при длительных потерях сигнала, где К - натуральное число, которое определяется однократно в начале приема, модуль обновления памяти предназначен для контроля за достоверностью поступающих измерений псевдодальности. Модуль прогноза состоит из одного регистра, первого, второго и третьего инвертора, первого, второго, третьего и четвертого умножителя, первого, второго, третьего и четвертого сумматора, модуля вычисления -1 степени, при этом первый вход модуля прогноза соединен с первым входом второго сумматора, вторым входом которого является выход второго инвертора, второй вход модуля прогноза соединен со вторым входом третьего сумматора и первым входом первого сумматора, вторым входом которого является выход первого инвертора, третий вход модуля прогноза соединен с входом второго инвертора, четвертый вход модуля прогноза соединен с входом первого инвертора, пятый вход модуля прогноза соединен с модулем вычисления -1 степени, шестой вход модуля прогноза соединен со вторым входом третьего умножителя, первым входом которого является седьмой вход модуля прогноза, выход первого сумматора соединен с первым входом первого умножителя, вторым входом которого является выход модуля вычисления -1 степени, выход первого умножителя является вторым выходом модуля прогноза и первым входом второго умножителя, вторым входом которого является выход второго сумматора, выход второго умножителя соединен с первым входом третьего сумматора, выход третьего умножителя соединен с входом третьего инвертора, выход которого соединен со вторым входом четвертого сумматора, первым входом которого является выход третьего сумматора, выход четвертого сумматора является третьим выходом модуля прогноза и первым входом четвертого умножителя, вторым входом которого является выход регистра, выход четвертого умножителя является первым выходом модуля прогноза. Модуль коррекции состоит из первого, второго и третьего регистра, одного инвертора, одного сумматора, одного модуля деления на 4, одного модуля вычисления остатка от деления, первого и второго компаратора, первого, второго, третьего и четвертого элементов конъюнкции, одного элемента дизъюнкции и одного элемента отрицания, при этом первый вход модуля коррекции соединен с инвертором, второй вход модуля коррекции соединен со вторым входом второго компаратора, третий вход модуля коррекции соединен с первым входом модуля вычисления остатка от деления, четвертый вход модуля коррекции соединен со вторым входом модуля вычисления остатка от деления и с входом модуля деления на 4, выход первого инвертора и выход модуля вычисления остатка от деления соединены с первым и вторым входами сумматора соответственно, выход модуля деления на 4 соединен со вторым входом первого компаратора, первым входом которого является выход сумматора, выход первого регистра соединен с первым входом второго компаратора, выход первого компаратора является первыми входами для первого и второго элементов конъюнкции, вторым входом первого элемента конъюнкции является выход второго компаратора, а вторым входом второго элемента конъюнкции является выход элемента отрицания, входом которого является выход второго компаратора, выход первого элемента конъюнкции соединен со вторым входом третьего элемента конъюнкции, первым входом которого является выход второго регистра, выход второго элемента конъюнкции соединен со вторым входом четвертого элемента конъюнкции, первым входом которого является выход третьего регистра, выходы третьего и четвертого элементов конъюнкции являются первым и вторым входами элемента дизъюнкции соответственно, выход которой является выходом модуля коррекции. Модуль обновления памяти состоит из одного регистра, одного инвертора, первого и второго сумматора, первого, второго, третьего и четвертого компаратора, первого, второго и третьего элементов конъюнкции, одного элемента дизъюнкции и одного элемента отрицания, при этом первый вход модуля обновления памяти соединен с первым входом первого компаратора, второй вход модуля обновления памяти соединен с первым входом второго компаратора, третий вход модуля обновления памяти является первыми входами для второго и третьего элементов конъюнкции, третьего и четвертого компараторов, четвертый вход модуля обновления памяти соединен с входом инвертора и вторым входом первого сумматора, вторыми входами для первого и второго компаратора является выход регистра, выходы первого и второго компараторов соединены с первым и вторым входами первого элемента конъюнкции соответственно, выход которого соединен со вторым входом второго элемента конъюнкции, в свою очередь, выход которого является первыми входами для первого и второго сумматора, выход инвертора соединен со вторым входом второго сумматора, выход первого сумматора соединен со вторым входом третьего компаратора, а выход второго сумматора соединен со вторым входом четвертого компаратора, выходы третьего и четвертого компаратора соединены с первым и вторым входами элемента дизъюнкции соответственно, выход элемента дизъюнкции является первым выходом модуля обновления памяти и входом элемента отрицания, выход которого является вторым входом третьего элемента конъюнкции, выход третьего элемента конъюнкции является вторым выходом модуля обновления памяти.
Сущность и признаки заявленного изобретения в дальнейшем поясняются чертежами, где показано следующее:
На фиг.1 - представлена структурная схема электронного устройства оперативного восстановления измерений псевдодальности, где:
1 - первый регистр с функцией сброса;
2 - второй регистр с функцией сброса;
3 - первый регистр;
4 - второй регистр;
5 - первый сумматор;
6 - инвертор;
7 - третий регистр;
8 - четвертый регистр;
9 - второй сумматор;
10 - третий сумматор;
11 - умножитель;
12 - четвертый сумматор;
13 - пятый регистр;
14 - шестой регистр.
На фиг.2 - представлена структурная схема модуля прогноза электронного устройства оперативного восстановления измерений псевдодальности, где:
15 - первый сумматор;
16 - первый инвертор;
17 - модуль вычисления -1 степени;
18 - первый умножитель;
19 - второй умножитель;
20 - второй сумматор;
21 - второй инвертор;
22 - третий сумматор;
23 - четвертый сумматор;
24 - третий инвертор;
25 - третий умножитель;
26 - четвертый умножитель;
27 - регистр.
На фиг.3 - представлена структурная схема модуля коррекции электронного устройства оперативного восстановления измерений псевдодальности, где:
28 - инвертор;
29 - сумматор;
30 - первый регистр;
31 - первый компаратор;
32 - второй компаратор;
33 - модуль вычисления остатка от деления;
34 - элемент отрицания;
35 - первый элемент конъюнкции;
36 - второй элемент конъюнкции;
37 - модуль деления на 4;
38 - второй регистр;
39 - третий регистр;
40 - третий элемент конъюнкции;
41 - четвертый элемент конъюнкции;
42 - элемент дизъюнкции.
На фиг.4 - представлена структурная схема модуля обновления памяти электронного устройства оперативного восстановления измерений псевдодальности, где:
43 - регистр;
44 - первый компаратор;
45 - второй компаратор;
46 - первый элемент конъюнкции;
47 - второй элемент конъюнкции;
48 - первый сумматор;
49 - второй сумматор;
50 - инвертор;
51 - третий компаратор;
52 - четвертый компаратор;
53 - элемент дизъюнкции;
54 - элемент отрицания;
55 - третий элемент конъюнкции.
Принцип работы заявленного изобретения заключается в следующем.
i-1
i
i+1
i-1
i
i+1
i-1
i
i+1
i-1
i
i
i-1
i
i-1
i+1
i
i+1
Обозначим Δφ, Δφ, Δφ измерения сдвига фаз ПСП, соответствующие моментам времени t, t, t. Также предположим, что в моменты времени t, t, t известны величины К и К. При этом предполагается, что t-t=1, K=K, t=t+1. Под единицей понимается интервал времени между последовательными измерениями псевдодальности. В таком случае для величины K имеют место следующие соотношения:
i
i
i-1
i
i+1
i+1
Работа устройства основана на отслеживании изменения величины Δφ с целью определения изменения величины К. Иными словами, запоминая Δφ, Δφ и соответствующие им моменты времени, устройство определяет прогнозное значение сдвига фаз Δφ на момент времени t и, сравнивая его с диапазоном однозначности измерений, определяет величину K.
i
i
Электронное устройство оперативного восстановления измерений псевдодальности (см. фиг.1) состоит из первого (поз.1) и второго (поз.2) регистра с функцией сброса, первого (поз.3), второго (поз.4), третьего (поз.7), четвертого (поз.8), пятого (поз.13) и шестого (поз.14) регистра, одного инвертора (поз.6), первого (поз.5), второго (поз.9), третьего (поз.10) и четвертого (поз.12) сумматора, одного умножителя (поз 11), модуля прогноза, модуля коррекции и модуля обновления памяти. На первый вход подается измерение псевдодальности с приемника в момент времени t, а на второй вход подается само время t. На выходе схемы выдается восстановленное измерение псевдодальности на тот же момент времени, т.е. схема работает практически без задержки.
Инвертор (поз.6) осуществляет умножение входного сигнала на -1.
Регистры (поз.1, 2) имеют функцию сброса: если на второй вход приходит сигнал, то в регистр помещается значение 0. В данных регистрах хранятся текущие значения измерения и времени приемника.
Регистры (поз 3, 4) хранят предыдущие значения измерения и времени.
В регистре (поз.7) хранится значение R - значение диапазона однозначности измерений.
Регистр (поз.8) хранит общее значение К.
Регистр (поз.13) хранит значение диапазона достоверности измерений.
Регистр (поз.14) хранит начальное значение К.
Сумматоры (поз.5, 9, 10 и 12) выдают на выходе значение суммы всех своих входов.
Умножитель (поз.11) вычисляет значение произведения всех своих входов и выдает его на выход.
i
i-1
i-1
i-2
i
i-2
Модуль прогноза осуществляет вычисление прогнозируемого на следующий такт измерения псевдодальности. На первый вход модуля прогноза подается время t, на второй вход подается измерение псевдодальности на момент времени t, на третий вход подается время t, на четвертый вход подается измерение псевдодальности на момент времени t, на пятый вход подается значение Δt=t-t, вычисленное непосредственно в электронной схеме оперативного восстановления измерений псевдодальности, на шестой вход подается значение диапазона однозначности измерений и на седьмой вход подается общее значение К. Модуль прогноза (см. фиг.2) состоит из одного регистра (поз.27), первого (поз.16), второго (поз.21) и третьего (поз.24) инвертора, первого (поз.18), второго (поз.19), третьего (поз.25) и четвертого (поз.26) умножителя, первого (поз.15), второго (поз.20), третьего (поз.22) и четвертого (поз.23) сумматора и модуля вычисления -1 степени (поз.17).
Модуль вычисления -1 степени (поз.17) возводит входной сигнал -1 степень.
Инверторы (поз.16, 21 и 24) умножают входной сигнал на -1.
Сумматоры (поз.15, 20, 22 и 23) вычисляют значение суммы всех своих входов и выдают его на выход.
Умножители (поз.18, 19, 25 и 26) вычисляют значение произведения всех своих входов и выдают его на выход.
Регистр (поз.27) хранит значение величины 1/R, где R - диапазон однозначности измерений.
На первый выход модуля прогноза выдается значение К на текущий такт, на второй выход выдается значение первой производной функции измерений псевдодальности по времени на текущий момент, на третий выход выдается прогнозируемое значение псевдодальности на текущий момент.
Модуль коррекции осуществляет коррекцию значения К при длительных потерях сигнала. На первый вход модуля коррекции подается значение псевдодальности с приемника на текущий момент, на второй вход подается значение первой производной функции измерений псевдодальности по времени на текущий момент, на третий вход подается прогнозируемое значение псевдодальности на текущий момент и на четвертый вход подается значение диапазона однозначности измерений псевдодальности. Модуль коррекции (см. фиг.3) состоит из первого (поз.30), второго (поз.38) и третьего (поз.39) регистра, одного инвертора (поз.28), одного сумматора (поз.29), одного модуля деления на 4 (поз.37), одного модуля вычисления остатка от деления (поз.33), первого (поз.31) и второго (поз.32) компаратора, первого (поз.35), второго (поз.36), третьего (поз.40) и четвертого (поз.41) элемента конъюнкции, одного элемента дизъюнкции (поз.42) и одного элемента отрицания (поз.34).
Регистры (поз.30, 38 и 39) хранят значения 0,1 и -1 соответственно.
Модуль деления на 4 (поз.37) осуществляет деление входного сигнала на 4.
Модуль вычисления остатка от деления (поз.33) вычисляет и выдает на выход остаток от деления сигнала, поступающего на первый вход, на сигнал, поступающий на второй вход.
Компараторы (поз.31 и 32) сравнивают два значения пришедших им на входы и выдают 0 или 1 в зависимости от истинности неравенства.
На выход модуль коррекции выдает коррекционное значение К принимающей значения 1, -1 или 0.
i-1
i-2
Модуль обновления памяти осуществляет контроль за достоверностью поступающих на вход измерений псевдодальности и в случае недостоверных измерений псевдодальности сбрасывает сдвиговые регистры. На первый и второй входы модуля обновления памяти подаются измеренные значения псевдодальности в моменты времени t и t соответственно, на третий вход подается восстановленное значение псевдодальности на текущий момент, на четвертый вход подается значение диапазона достоверности измерений псевдодальности. Модуль обновления памяти (см. фиг.4) состоит из одного регистра (поз.43), одного инвертора (поз.50), первого (поз.48) и второго (поз.49) сумматора, первого (поз.4), второго (поз.45), третьего (поз.51) и четвертого (поз.52) компаратора, первого (поз.46), второго (поз.47) и третьего (поз.55) элемента конъюнкции, одного элемента дизъюнкции (поз.53) и одного элемента отрицания (поз.54).
Регистр (поз.43) хранит значение 0.
На первый выход модуля обновления памяти выдается сигнал сброса, принимающий значения 1 или 0, на второй выход выдается восстановленное у скорректированное значение псевдодальности.
Таким образом, заявленное электронное устройство позволяет в реальном времени восстанавливать измерения псевдодальности, последовательно формируемые измерительным каналом навигационного приемника. При этом разработанная схема обладает малой площадью, что делает возможным ее использование в составе современных навигационных приемников систем ГЛОНАСС/GPS.