НАВИГАЦИОННЫЙ ПРИЕМНИК ГЛОБАЛЬНОЙ НАВИГАЦИОННОЙ СПУТНИКОВОЙ СИСТЕМЫ - ПРИСТАВКА К ПЕРСОНАЛЬНОМУ КОМПЬЮТЕРУ

Предложенное техническое решение относится к области приборостроения. Преимущественной областью использования предложенного технического решения является персональное навигационное оборудование глобальных навигационных спутниковых систем.
Развитие современного общества невозможно без широкого и повсеместного использования компьютерной техники и информационных технологий. Персональные компьютеры, ноутбуки и карманные персональные компьютеры стали привычными незаменимыми помощниками в различных областях. Одной из областей использования персональных компьютеров является обеспечение функционирования комплекса потребления навигационной информации. Современный потребитель навигационных услуг может использовать мобильный персональный компьютер, как для решения задач связанных с определением положения в пространстве или прокладки маршрута по карте с использованием навигационных решений, так и для сбора, обработки, хранения и передачи информации, (связи и передачи данных, работы с документацией и базами данных, удаленной сетевой работы). Перечисленные выше функции могут быть реализованы благодаря использованию открытых стандартов для использования внешних периферийных устройств, совместимых на уровне протоколов и программного обеспечения.
Определение положения потребителя навигационной информации необходимо, как при однократном получении координат в пространстве на поверхности Земли, так и в процессе перемещения с текущими замерами координат и привязкой их к карте местности. Основой навигационной поддержки потребителя
является сигнал от группы космических аппаратов, расположенных над заданным квадратом местности. Каждый космический аппарат передает на Землю навигационно-временной сигнал высокой мощности, под заданным углом к горизонту местности. Определяемый объект должен находиться в пределах распространения бортовых навигационных сигналов, то есть в такой точке местности, которая отвечает условию радиовидимости четырех и более пространственно разделенных навигационно-временных сигналов. В состав навигационного сигнала, получаемого конечным пользователем, входит множество составляющих, определяющих в своей совокупности точность определения текущих координат контролируемого объекта, в том числе и его обеспечение сигналами точного времени. К таким составляющим сигнала относятся непосредственно навигационные сигналы спутниковой системы, синхронизированные сигналами точного времени от бортовой космической аппаратуры, которые принимаются в данной точке местности от нескольких источников.
Данные сигналы особенно необходимы в условиях городской уплотненной многоэтажной застройки или в условиях сложного рельефного, гористого ландшафта, где возможно возникновение эффекта интерполяционного отражения сигнала. Воздействующий комплекс дестабилизирующих факторов, влияющих на качество принимаемого сигнала, требует от аппаратуры потребителя использование математической модели обработки координат с большим объемом вычислений в единицу времени. Потребитель должен получить не только значения, обработанные с низкой точностью на основании первичного просчета навигационно-временного сигнала и его отраженных сегментов, с существующей погрешностью до сотен метров, а уже уточненные данные на основании оптимизированных переменных для получения текущих координат с более чем десятикратной точностью, то есть менее чем до 10 метров. В настоящее время не существует объективных способов вычисления координат без использования сложной ресурсоемкой математической обработки навигационных сигналов. Следовательно, требуется оснащение персонального навигационной аппаратуры бортовым микрокомпьютером с процессорной системой, системой
логики и интерфейсом пользователя, в компактном корпусе, которое было бы сопоставимо по характеристикам с профессиональным ноутбуком, оснащенным программным обеспечением.
Из патентов US 5841396 и US 5923287 известны различные типы навигационной аппаратуры глобальных навигационных спутниковых систем совмещаемые с персональными компьютерами. Подобные навигационные приемники содержат антенное устройство, средства передачи и преобразования сигнала, микропроцессор обработки спутниковых сигналов и оперативное запоминающее устройство. В патенте US 5923287 описано устройство получения двух навигационных сигналов глобальных навигационных спутниковых систем GPS и ГЛОНАСС. Устройство включает два микропроцессора различных типов. В US 5923287 приводится описание основного процессорного ядра двухсистемного вычислителя навигационных сигналов для различных систем в разных рабочих диапазонах. В патенте US 5841396 описано устройство получения навигационного сигнала глобальной навигационной спутниковой системы GPS, основанные на использовании микропроцессора с закрытой архитектурой вычислений при обработке сигнала. Устройство включает систему модемного вывода полученных навигационных данных, что в настоящее время не отвечает современным требованиям по обработке и передачи сигналов, усложняет диагностику, неработоспособно при несовместимости программного обеспечения с другими устройствами. Устройство получения навигационных данных, известное из патента US 5841396, выбрано в качестве ближайшего аналога предлагаемого технического решения.
При использовании технических решений известных из US 5841396 и US 5923287 высок риск получения навигационных данных от внешнего преднамеренного искажения навигационного сигнала. Используемая в известных из US 5841396 и US 5923287 технических решениях микропроцессорная обработка сигнала является избыточным решением, оптимальным в середине девяностых годов XX века, когда пользователю не были доступны системы скоростной обработки больших объемов информации и подобные системы не оборудовались
устройствами высокоскоростной передачи данных типа порта универсальной последовательной шины - USB-порта. Кроме того, зависимость отечественного производителя от зарубежной электронной компонентной базы не позволяет разрабатывать решения навигационных приложений без технической зависимости от зарубежных поставщиков систем, зачастую содержащих решения не отраженных в прилагаемой документации. Таким образом, в настоящее время на рынке навигационного оборудования не известны персональные системы навигации с удаленной системой обработки кодов навигационной информации, оснащенные интерфейсом пользователя.
Предложенное техническое решение, позволит устранить зависимость от зарубежной навигационной аппаратуры гражданского потребителя путем применения распределенных вычислений для обработки сигналов глобальных навигационных спутниковых систем, например отечественной спутниковой системы ГЛОНАСС. Практическая реализация предложенного технического решения обеспечит использование совместно с навигационной аппаратурой практически любых типов современной персональной вычислительной техники, что позволит ускорить обработку и увеличить объем, навигационных данных за счет переноса большинства операций на персональный компьютер.
Ожидаемый технический результат достигается за счет использования навигационного приемника глобальной навигационной спутниковой системы - приставки к персональному компьютеру. Навигационный приемник содержит антенное устройство, средства передачи и преобразования сигнала, микропроцессор обработки спутниковых сигналов и оперативное запоминающее устройство. В отличие от известных технических решений предлагаемый навигационный приемник включает буферное и конфигурационное запоминающие устройства, соединенные с микропроцессором обработки сигналов спутниковых сигналов. Подключение к персональному компьютеру обеспечивается при помощи коммуникационного USB-порта, управляемого контроллером коммуникационного порта.
Предлагаемый навигационный приемник глобальной навигационной спутниковой системы - приставка к персональному компьютеру выполняет функции, не доступные аппаратному обеспечению персонального компьютера. Функции, которые аппаратное и программное обеспечение компьютера может выполнить над полученными с приемника данными в полной мере остаются за вычислительными возможностями персонального компьютера. Основную тяжесть вычислений и обработки берет на себя аппаратное и программное обеспечение персонального компьютера, а пользователь получает возможность выбора и приобретения широкого спектра недорогих устройств для работы навигационной аппаратуры в составе компьютера для получения заданных функций, обеспечиваемых установленным на компьютере программным обеспечением. Такая распределенная обработка информации обеспечит устойчивый спрос на предлагаемое устройство в системах получения и обработки геопространственных данных, интерактивной логистики, сетевом ведении сбора и подтверждения кадастровой информации и т.д.
Предложенное техническое решение поясняется чертежами:
Фиг.1 - Структурная схема навигационного приемника;
Фиг.2 - Вид нижней части навигационного приемника;
Фиг.3 - Вид верхней части навигационного приемника.
Персональный навигационный приемник глобальной навигационной системы сигналов двух диапазонов подключается к персональному компьютеру через высокоскоростной USB-порт 1 компьютера. Установленный в USB-порте персонального компьютера навигационный приемник определяется программным обеспечением и получает сигнал от персонального компьютера о готовности обмена данными между устройствами. Подключение и двусторонняя передача данных производится через USB-порт 2 навигационного приемника. Допускается использование кабеля удлинителя, а также подключение устройства через два кабеля к двум коммуникационным портам персонального компьютера, при этом второй кабель предназначен для дополнительного питания электронной компонентной базы.
Персональный навигационный приемник включает контроллер коммуникационного порта 3, обеспечивающий согласование устройство с персональным компьютером: прием и передачу данных, поступающих в загрузочное или конфигурационное запоминающее устройство 4, выполненное на микросхеме типа перепрограммируемого запоминающего устройства (ППЗУ) на энергонезависимой основе (flash-карты). Конфигурационное запоминающее устройство 4 взаимодействует с буферным запоминающим устройством 5 и выполнена на микросхеме типа оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) на энергозависимой основе, (быстродействующая DDR память). Конфигурационное запоминающее устройство 4 также включает программное обеспечение, обеспечивающее выполнение необходимых расчетов и обработки навигационных данных, и автоматически устанавливающееся на персональный компьютер. Буферное запоминающее устройство 5 реализуется в связке с быстродействующим контроллером 6.
Основным узлом персонального навигационного приемника является микропроцессор обработки спутниковых сигналов 7, преобразующий сигнал антенного тракта в сигнал, включающий обрабатываемое основание навигационного кода. Микропроцессор 7 обеспечивает обработку сигналов, как одной из существующих в настоящее время глобальных навигационных спутниковых систем, например ГЛОНАСС, так и нескольких навигационных систем в любом сочетании GPS, ГЛОНАСС, Galileo и т.п.Перед микропроцессором 7 быстродействующий цифровой демодулятор 8 производит первичное выделение полезного сигнала из потока данных поступающих от аналого-цифрового преобразователя 9 и контроллера управления 10 аналого-цифрового преобразователя 10.
Спиральная, либо микрополосковая антенны 12 обеспечивает необходимую форму диаграммы направленности и требуемый уровень коэффициента усиления антенны. Ответная часть разъема крепления антенны 14 устанавливается на навигационном приемнике, крепление и разъем основания антенны выполнены с условием обеспечения надежного механического и электрического
соединения, допускается использование удлинительного кабеля. Фильтр 13 обеспечивает селективную выборку высокочастотного сигнала, поступающего с печатного узла, расположенного в месте распайки ответного антенного разъема на печатной плате. Малошумящий усилитель 11 СВЧ сигналов обеспечивает усиление широкополосного сигнала с 20% запасом по частоте сигнала верхнего и нижнего частотного диапазона. Контроллер 10 аналого-цифрового преобразователя переключает поток обрабатываемых сигналов поступающих на аналого-цифровой преобразователь 9 для перевода последнего по командам конфигурационного запоминающего устройства 4 в режимы работы, соответствующий требуемому частотному диапазону L1 и L2.
На многослойной печатной плате 15 выполнена экранировка от активных элементов, расположенных на обратной стороне платы, без использования в экране проводников между слоями. Экранировка исключает наводку на цифровые элементы схемы аналоговых высокочастотных сигналов, передаваемых для согласования посредством волнового согласующего трансформатора 14. Расположение и форма проводников может изменяться в зависимости от примененной антенны и, в отдельно обоснованных случаях, может допускать существенное ослабление принимаемых универсальной антенной сигналов с навигационных спутников различных типов. Преимущественным является выделение в спектре сигналов сигнала ГЛОНАСС. В состав печатной платы 15 входят проводники и волноводы 13 для электрического согласования элементов. Металлизированные слои выбранной формы и толщины обеспечивают электромагнитное экранирование элементов расположенных сверху печатной платы аналоговых элементов и расположенных снизу печатной платы цифровых элементов.
Помимо перечисленных составляющих навигационный приемник включает иную электронную компонентную базу 16, предназначенную для обеспечения требуемых электрических режимов и разводки основной схемообразующей элементной базы.
Практически предложенное техническое решение может выглядеть в виде брелка USB-flash памяти с миниатюрной внешней антенной, подключаемого к персональному компьютеру, как к «стационарному», так и к ноутбуку.
Таким образом, при практической реализации предложенного технического решения обеспечивается прием и обработка навигационных сигналов спутников глобальных навигационных спутниковых систем, например системы ГЛОНАСС, и дальнейшее их преобразование для определения координат местоположения потребителя. Обеспечивается удаленное процессорное вычисление навигационных характеристик основе существующей архитектуры вычислительных систем персональных компьютеров. Производится буферное накопление потока данных в памяти внешнего устройства, на подключенный персональный компьютер, выполняющий необходимые преобразования потоковой информации в статических условиях. Преобразование информации обеспечивает получение данных для вторичной обработки в своей операционной системе для итоговой выдачи, хранения и преобразования в иных приложениях для вычисления координат высокой точности, в том числе и в условиях приема сегментов частично отраженных искажающих сигналов. Обработка полученных данных с использованием существующих математических алгоритмов обеспечивает отображение информации в форме доступной для оперативного графического отображения навигационных координат на поверхности Земли.
Таким образом, пользователь предлагаемой навигационной аппаратуры получит возможность выбора и приобретения широкого спектра недорогих устройств для работы навигационной аппаратуры совместно с компьютером для получения заданных функций, обеспечиваемых установленным на компьютере программным обеспечением.