НАВИГАЦИОННЫЙ МОДУЛЬ

Техническое решение относится к средствам навигации и позиционирования подвижных объектов.
В настоящее время наибольшее применение нашли средства навигации и позиционирования, в которых для определения координат местоположения подвижного объекта используются спутниковые радионавигационные системы (СРНС) ГЛОНАСС и GPS. В абонентских устройствах потребителей СРНС в качестве навигационного модуля используется приемник спутниковых радиосигналов с антенной, с выхода которого навигационно-временная информация поступает для последующей обработки.
Известные навигационные модули отличаются друг от друга типом применяемого навигационного приемника и видом используемой антенны. В качестве прототипа выбрана схема навигационного модуля, приведенная в журнале «Вестник Электроники» №4 (8), 2004 г., стр.22.
Недостатком модуля-прототипа является то, что точность позиционирования существенно зависит от ориентации антенны навигационного модуля в пространстве: наибольшая точность получения координат достигается при ориентации антенны, обеспечивающей прием сигналов из верхней полусферы в телесном угле±85°. При других положениях антенны точность определения координат снижается, а при некоторых расположениях антенны относительно созвездия навигационных спутников вычисление координат приемником может оказаться невозможным из-за приема очень слабого сигнала.
Целью технического решения является обеспечение получения навигационно-временной информации на выходе навигационного модуля в условиях неопределенности его ориентации в пространстве.
Поставленная цель достигается тем, что в навигационный модуль, содержащий антенну и навигационный приемник, введены N антенн, антенный коммутатор на N+1 вход, распределитель импульсов с N+2 выходами, устройство синхронизации, два регистра сдвига, схема сравнения, четыре элемента ИЛИ, восемь элементов И, элемент НЕ и RS-триггер, при этом каждая из антенн подключена к одному из входов антенного коммутатора, выход которого подсоединен к антенному входу навигационного приемника, информационный выход которого соединен с входом устройства синхронизации и одним из входов второго элемента И, другой вход которого соединен с выходом элемента НЕ, выход второго элемента И соединен с информационными входами регистров сдвига, один выход устройства синхронизации соединен с входом распределителя импульсов и с входом опроса схемы сравнения, N+2 выход распределителя импульсов соединен с входом элемента НЕ и одним из входов третьего и восьмого элементов И, 1,2…N+1 выходы распределителя импульсов соединены с соответствующими управляющими входами антенного коммутатора и входами первого элемента ИЛИ, выход которого соединен с одним из входов первого элемента И, другой вход которого подключен к тактовому выходу устройства синхронизации, выход первого элемента И соединен с одним из входов четвертого и пятого элементов И, другие входы которых соединены соответственно с инверсным и прямым выходами RS-триггера, выходы четвертого и пятого элементов И соединены с одним из входов соответственно второго и третьего элементов ИЛИ, другие входы которых соединены с выходом третьего элемента И, другой вход которого соединен с тактовым выходом устройства синхронизации, выходы второго и третьего элементов ИЛИ соединены с тактовым входом соответственно первого и второго регистров сдвига, выход первого регистра сдвига соединен с одним из входов шестого элемента И, выход второго регистра сдвига - с одним из входов седьмого элемента И, другие входы шестого и седьмого элементов И подключены соответственно к прямому и инверсному выходам RS-триггера, R и S входы RS-триггера подключены к соответствующим выходам схемы сравнения, информационные входы которой соединены с соответствующими разрядами регистров сдвига, выходы шестого и седьмого элементов И соединены с входами четвертого элемента ИЛИ, выход которого соединен с другим входом восьмого элемента И, выход которого является выходом навигационного модуля.
Принцип работы предлагаемого навигационного модуля основан на сравнении навигационно-временной информации, получаемой на выходе навигационного приемника при последовательном подключении к его входу антенн, по разному ориентированных в пространстве, и выбора наилучшей по заданному критерию качества информации для передачи ее на выход модуля.
Для оценки качества навигационно-временной информации используются различные данные, содержащиеся в формате сообщения на выходе навигационного приемника, регламентированного протоколом NMEA-0183, а именно данные о качестве навигационного сигнала, точности определения местоположения, количестве видимых спутников и другие.
В предлагаемом устройстве качество навигационно-временной информации оценивается по количеству видимых спутников, информация от которых используется для вычисления навигационных данных. Использование данного критерия обусловлено тем, что количество видимых спутников очень чувствительно к ориентации антенны. На фиг.1 представлена структурная электрическая схема навигационного модуля; на фиг.2 - временные диаграммы (далее - эпюры), поясняющие его работу.
Навигационный модуль содержит антенны Ан.1, Ан.2,…Ан.N+1, антенный коммутатор 1, навигационный приемник 4, устройство синхронизации 7, распределитель импульсов 2, первый 3, второй 12, третий 13 и четвертый 20 элементы ИЛИ, элемент НЕ 5, первый 6, второй 8, третий 9, четвертый 10, пятый 11, шестой 18, седьмой 19 и восьмой 21 элементы И, первый 14 и второй 15 регистры сдвига, схему сравнения 16, RS-триггер 17.
Работа навигационного модуля происходит циклически. Длительность цикла определяется длительностью периода появления импульсов на выходах распределителя импульсов 2. В начале каждого цикла регистры сдвига 14 и 15 находятся в состоянии, при котором в каждом разряде регистров записан «нулевой» символ. Устройство синхронизации 7 обеспечивает временное согласование поступления навигационно-временной информации с выхода навигационного приемника 4 с работой остальных элементов модуля. Оно формирует импульсную последовательность (фиг.2, эпюра а), поступающую на вход распределителя импульсов 2 и вход опроса схемы сравнения 16, а также последовательность тактовых импульсов (фиг.2, эпюра б), поступающую через соответствующие элементы на тактовые входы регистров сдвига 14 и 15.
Работа модуля в течение временного цикла происходит следующим образом. На 1,2,…N+1 выходах распределителя импульсов 2 последовательно появляются импульсы (фиг.2, эпюры в, г, д, е), поступающие на соответствующие управляющие входы антенного коммутатора 1, который осуществляет поочередное подключение антенн Ан.1, Ан.2,…Ан.N+1 к входу навигационного приемника 4. При подключении антенны навигационно-временная информация с выхода приемника поступает через элемент И 8 на информационные входы регистров сдвига 14 и 15 для записи в один из них. Регистр, в который осуществляется запись информации, определяется состоянием RS-триггера 17, который управляется сигналами с выхода схемы сравнения 16. Совместно с RS-триггером 17 схема сравнения 16 реализует следующий алгоритм работы: если двоичное число, соответствующее количеству видимых спутников, записанное в регистр сдвига 14 больше соответствующего числа, записанного в регистр сдвига 15, то RS-триггер 17 переключается в состояние, при котором на прямом выходе триггера устанавливается сигнал, соответствующий «единичному» символу. Этот сигнал поступает на вход элемента И 11 и разрешает прохождение тактовых импульсов с выхода элемента И 6, поступающих на другой вход элемента И 11, на выход элемента И 11. Тактовые импульсы с выхода элемента И 11 через элемент ИЛИ 13 поступают на тактовый вход регистра сдвига 15 для записи информации в данный регистр. В случае, когда двоичное число, соответствующее количеству видимых спутников, записанное в регистр сдвига 14 окажется меньше соответствующего числа, записанного в регистр сдвига 15, RS-триггер 17 переключается в состояние, при котором тактовые импульсы с выхода элемента И 6 проходят через последовательно включенные элементы И 10 и ИЛИ 12 на тактовый вход регистра сдвига 14 для записи навигационно-временной информации, поступившей с выхода навигационного приемника 4. Если двоичные числа о количестве спутников, записанные в соответствующие ячейки регистров сдвига, совпадают, то RS-триггер 17 сохраняет свое прежнее состояние.
Тактовые импульсы для записи навигационно-временной информации в регистры сдвига 14 и 15 на выходе элемента И 6 появляются на интервалах времени подключения антенн к навигационному приемнику 4. Это достигается тем, что на один вход элемента И 6 поступают тактовые импульсы с выхода устройства синхронизации 7, а на другой - импульсы с выхода элемента ИЛИ 3, соответствующие импульсам на выходах распределителя импульсов 2.
В соответствии с алгоритмом работы при подключении очередной антенны навигационно-временная информация будет записываться в регистр сдвига, содержащий информацию о меньшем количестве видимых спутников. При одинаковом количестве видимых спутников навигационно-временная информация будет записываться в регистр сдвига, определяемый состоянием RS-триггера 17. При записи навигационно-временной информации в регистр сдвига прежняя информация будет вытесняться новой. Однако на выход навигационного модуля считываемая информация не поступает, так как на входе элемента И 21, подключенного к N+2 выходу распределителя импульсов 2, присутствует сигнал, соответствующий «нулевому» символу.
После завершения процедуры подключения всех антенн на N+2 выходе распределителя импульсов 2 появляется импульс (фиг.2, эпюра ж), который поступает на вход элемента НЕ 5. С выхода элемента НЕ 5 сигнал, соответствующий «нулевому» символу, поступает на один из входов элемента И 8 и осуществляет запрет прохождения навигационно-временной информации с выхода навигационного приемника 4, поступающей на другой вход элемента И 8, на входы регистров сдвига 14 и 15. Одновременно импульс с N+2 выхода распределителя импульсов 2 поступает на вход элемента И 9, на другой вход которого поступают тактовые импульсы с устройства синхронизации 7. С выхода элемента И 9 тактовые импульсы через элементы ИЛИ 12 и ИЛИ 13 поступают на тактовые входы регистров сдвига 14 и 15 и осуществляют считывание навигационно-временной информации, хранящейся в регистрах. При считывании происходит обнуление регистров сдвига. Считываемая информация с выхода регистра сдвига 14 поступает на вход элемента И 18, другой вход которого подключен к прямому выходу RS-триггера 17. Информация, считываемая с выхода регистра сдвига 15, поступает на вход элемента И 19, другой вход которого подключен к инверсному выходу RS-триггера 17. При считывании на выходе одного из элементов И 18 или И 19 появляется навигационно-временная информация, в которой координаты и время определялись по наибольшему для разных антенн числу видимых навигационных спутников. Эта информация с выхода элемента И 18 или И 19 поступает на соответствующий вход элемента ИЛИ 20, с выхода которого поступает на вход элемента И 21. Так как на другом входе элемента И 21 присутствует «единичный» импульс с N+2 выхода распределителя импульсов 2, то навигационно-временная информации проходит на выход навигационного модуля.
Электронная часть навигационного модуля может быть реализована на основе микроконтроллера. При использовании модуля в составе носимого навигатора целесообразно использовать плоские антенны, размещаемые на разных сторонах корпуса навигатора.
По сравнению с известным навигационным модулем предлагаемое техническое решение позволяет достаточно простыми техническими средствами получить заявленный результат: обеспечить получение навигационно-временной информации на выходе навигационного модуля в условиях неопределенности его ориентации в пространстве.