ПРИЕМНИК НАВИГАЦИОННЫЙ (ВАРИАНТЫ) И МНОГОКАНАЛЬНЫЙ КОРРЕЛЯТОР

Предлагаемые в качестве полезных моделей технические решения относятся к устройствам для определения местоположения (текущих координат, высоты, скорости и времени) путем определения в одной системе координат абсолютных расстояний до нескольких разнесенных точек с известным местоположением по сигналам спутниковых навигационных систем (СНС). Заявляемые устройства предназначены для использования в составе навигационных комплексов и систем различного назначения.
Ближайшим аналогом заявляемого приемника навигационного является многоканальное GLONASS/GPS приемное устройство (Многоканальное GLONASS/GPS приемное устройство «ГеоС-1», Руководство по эксплуатации, производитель ООО «КБ «ГеоСтар навигация» Москва, 2009, Фиг.1), содержащее аналоговый и цифровой тракты. Аналоговый тракт содержит два конвертора навигационных сигналов (НС) - для GLONASS и GPS диапазонов, один из которых подключен к антенному входу приемника, выход каждого из конверторов подключен к соответствующему входу цифрового тракта, имеющего выход и информационные порты для передачи навигационных параметров. Для выделения из принимаемого сигнала рабочих частот применяют полосовой фильтр GLONASS/GPS диапазона, вход которого соединен к дополнительному выходу одного из конвертора, а выход - к дополнительным входам каждого из конверторов, выполненных на однокристальных интегральных микросхемах МАХ2769 фирмы MAXIM (US). Таким образом, НС усиливают внутренним МШУ, реализованном в схеме каждого из конверторов, чего не всегда бывает достаточно для современных устройств.
Целью полезной модели является повышение чувствительности приемника навигационного (4 варианта) для расширения применения в современных конечных устройствах.
Ближайшим аналогом заявляемого многоканального коррелятора является многоканальный коррелятор (заявка №2008119903, 19.05.2008, ОАО "Ижевский радиозавод»), содержащий не менее шестнадцати универсальных каналов для приема навигационных сигналов, формирователь секундной метки времени, а также два блока быстрого обнаружения навигационных сигналов для определения оценок задержки сигналов со спутников. Причем каждый из блоков принимает сигналы только одного диапазона частот, поступающего на его единственный вход. Однако, современному пользователю не всегда достаточно скорости первого определения навигационных параметров в СНС, достигаемой навигационными устройствами, в которых применяются такие корреляторы.
Целью полезной модели является создание многоканального коррелятора с улучшенными рабочими характеристиками (в частности уменьшением времени получения первого решения после включения).
«Горячий» старт означает включение приемника при наличии текущих даты/времени, альманаха и устаревших не более чем на 60 минут эфемеридной информации. «Теплый» старт означает включение приемника при наличии текущих даты/времени и альманаха. «Холодный» старт означает включение приемника при отсутствии исходных данных.
Приемник навигационный. Вариант 1.
В приемнике навигационном цель достигается тем, что к его антенному входу последовательно подключены малошумящий усилитель и делитель мощности (ДМ), первый выход которого подключен через первый полосовой фильтр к одному из входов первого конвертора, выход которого подключен к первому входу цифрового тракта. Второй выход ДМ подключен через второй полосовой фильтр к одному из входов второго конвертора, выход которого подключен ко второму входу цифрового тракта. Выход Цифрового тракта подключен к Выходу приемника, а его информационный Порт - к информационному Порту приемника. Схема приемника выполнена с возможностью подачи стабилизированного питания на все его элементы, требующие питания, а также подачи опорной частоты на нуждающиеся в тактировании элементы.
Предпочтительно, чтобы малошумящий усилитель (МШУ) и делитель мощности были выполнены в едином корпусе (например, в виде МШУ с дифференциальными выходами).
Приемник навигационный. Вариант 2.
В приемнике навигационном цель достигается также тем, что к его антенному входу последовательно подключены малошумящий усилитель, полосовой фильтр (ПФ) и делитель мощности (ДМ), к первому выходу которого подключен один из входов первого конвертора, выход которого подключен к первому входу цифрового тракта, ко второму выходу ДМ подключен один из входов второго конвертора, выход которого подключен ко второму входу цифрового тракта. Выход Цифрового тракта подключен к Выходу приемника, а его информационный Порт - к информационному Порту приемника. Схема приемника выполнена с возможностью подачи стабилизированного питания на все его элементы, требующие питания, а также подачи опорной частоты на нуждающиеся в тактировании элементы.
Предпочтительно, чтобы во всех вариантах приемника один из конверторов был выполнен в виде интегральной микросхемы
Предпочтительно также, чтобы во всех вариантах приемника управляющий выход цифрового тракта был соединен со вторым входом первого конвертора и вторым входом второго конвертора для их настройки непосредственно в составе приемника.
Предпочтительно также, чтобы во всех вариантах приемника цифровой тракт содержал процессор обработки навигационных сигналов, к которому подсоединены по шине адреса и данных перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство (ППЗУ) и многоканальный коррелятор. При этом первый и второй входы и выход многоканального коррелятора подключены к соответствующим входам и выходу цифрового тракта, а информационный порт процессора подключен к информационному порту цифрового тракта.
В многоканальном корреляторе цель достигается тем, что блоки быстрого обнаружения НС имеют два входа, на первый вход поступает НС одного диапазона частот, на второй вход - НС другого диапазона частот. Таким образом, блоки быстрого обнаружения (БО) являются универсальными, то есть могут принимать сигналы различных диапазонов частот (как GPS/GALILEO, так и GLONASS). Коррелятор содержит формирователь секундной метки, вход которого подключен к шине адреса и данных, а выход - к выходу коррелятора, не менее шестнадцати универсальных каналов и не менее двух универсальных БО, причем первый и второй входы каждого канала и каждого БО подключены соответственно к первому и второму входам коррелятора, а вход/выход каждого канала и каждого БО подключен к шине адреса и данных для управления ими. На первый вход коррелятора поступают НС одного диапазона частот, на второй вход - НС другого диапазона частот, на третий - частота опорного генератора для подачи на нуждающиеся в тактировании элементы, а на выход коррелятора - секундная метка времени.
Предпочтительно, чтобы коррелятор содержал хотя бы одну группу из четырех последовательно соединенных БО, в которой дополнительный выход первого БО был соединен с дополнительным входом второго БО, дополнительный выход которого соединен с дополнительным входом третьего БО, дополнительный выход которого соединен с дополнительным входом четвертого БО. Это расширяет функциональные возможности коррелятора, позволяя обнаруживать сигналы GALILEO.
На Фиг.1 приведена структурная схема ближайшего аналога - Многоканальное ГЛОНАСС/GPS приемное устройство «ГеоС-1».
На Фиг.2 приведена структурная схема первого варианта приемника навигационного в предпочтительном варианте.
На Фиг.3 приведена структурная схема многоканального коррелятора в предпочтительном варианте.
На Фиг.4 приведена структурная схема второго варианта приемника навигационного.
На Фиг.5 приведена структурная схема третьего варианта приемника навигационного.
На Фиг.6 - структурная схема четвертого варианта приемника навигационного.
В качестве элементов схемы аналогового тракта используют стандартные изделия, выпускаемые российскими и зарубежными фирмами.
Многоканальный коррелятор может быть реализован, в частности на процессоре, контроллере, ПЛИС (например, FPGA - field programmable gate array).
Количество универсальных каналов коррелятора определяет максимальное количество спутников СРНС (GLONASS, GPS, GALILEO, SBAS), от которых приемник может одновременно принимать и обрабатывать сигналы.
В качестве процессора обработки навигационных сигналов используют, например, контроллеры или процессоры (семейство Blackfin), а в качестве ППЗУ - Flash-ПЗУ либо другие устройства соответствующего назначения.
В качестве конверторов (преобразователей сигналов) использованы, в частности, интегральные микросхемы МАХ2769 фирмы MAXIM.
Далее состав и работа многоканального коррелятора в составе первого варианта приемника навигационного будут описаны в предпочтительных исполнениях.
К высокочастотному антенному входу приемника навигационного, изображенного на структурной схеме Фиг.2, последовательно подключены малошумящий усилитель 1 (У), делитель мощности 2 (ДМ) с дифференциальными (дифф.) выходами Вых1 и Вых2. К Вых1 ДМ 2 подключен первый полосовой фильтр 3 (ПФ1), выход которого соединен с первым входом Вх1 первого Конвертора 4 (Конв1). К Вых2 ДМ 2 подключен второй полосовой фильтр 5 (ПФ2), выход которого соединен с первым входом Вх1 второго Конвертора 6 (Конв2). Выходы Конв1 и Конв2 подключены соответственно к первому и второму входам (Вх1 и Вх2) Цифрового тракта 7. Часть структурной схемы, включающая элементы с 1 по 6, составляет аналоговый тракт приемника.
Выход Цифрового тракта является Выходом приемника, а его первый и второй информационные Порты (UART0 и UART1) - соответствующими информационными Портами приемника.
Цифровой тракт содержит включающий сдвоенный приемопередатчик процессор 8 для обработки навигационных сигналов, который соединен шиной адреса и данных с многоканальным коррелятором 9 и перепрограммируемым постоянным запоминающим устройством 10 (ППЗУ). UART0 и UART1 являются соответственно первым и вторым информационными Портами процессора, а управляющий выход (Упр. вых.) процессора, являющийся управляющим выходом цифрового тракта, соединен со вторым входом (Вх2) Конв1 и вторым входом (Вх2) Конв2. Первый и второй входы (Вх1 и Вх2) цифрового тракта являются соответствующими входами коррелятора, а его выход - выходом коррелятора. На вход процессора и третий вход коррелятора через третий вход цифрового тракта, а также третий вход Конв1 и третий вход Конв2 подают тактовую частоту от опорного генератора ОГ (ОГ и указанные связи на фиг.2 не показаны). Питание на требующие питания элементы схемы поступает, например, через стабилизатор напряжения либо стабилизированный источник питания.
Многоканальный коррелятор, изображенный на Фиг.3, содержит четыре универсальных блока быстрого обнаружения: первый - 11 (БО1), второй - 12 (БО2), третий - 13 (БО3), четвертый - 14 (БО4), предназначенных для определения оценок задержки сигналов со спутников, а также двадцать четыре универсальных канала 15 (канал) и формирователь секундной метки 16 (ФСМ) времени. Первый и второй входы каждого из каналов и каждого из БО соединены с соответствующим первым и вторым входами коррелятора, а вход/выход каждого канала и каждого БО подключен к шине адреса и данных коррелятора, к которой подключен также вход ФСМ 16. Выход ФСМ является выходом коррелятора. При этом дополнительный выход (доп. вых.) БО1 соединен с дополнительным входом (доп. вх.) БО2, доп. вых. которого соединен с доп. вх. БО3, доп. вых. которого соединен с доп. вх. БО4. БО1-БО4 выполнены универсальными.
Приемник навигационный с описанным многоканальным коррелятором работает следующим образом.
При подаче необходимого питания на стабилизатор приемник начинает функционировать. На соответствующие входы конверторов, процессора и коррелятора подают сигнал опорной частоты с ОГ.
При первом включении приемника через управляющий выход цифрового тракта программируют Конв.1 на прием НС первого диапазона частот (для спутников GLONASS), а Конв.1 - второго диапазона частот (для спутников GPS, GALILEO, SBAS). При использовании непрограммируемых конверторов, предназначенных для обработки сигнала определенной СНС, необходимость первоначального программирования отпадает. При включении приемника можно также скорректировать существующие в нем установки (выбрать для работы одну либо несколько СНС с указанием приоритетной, привязку метки времени, протокол информационного обмена, скорость обмена и т.д.).
Через антенный вход приемника на У 1 поступают навигационные сигналы от спутников, находящихся в зоне видимости. У 1 усиливает входной сигнал, внося минимальную шумовую составляющую. ДМ 2 уменьшает мощность сигнала, передавая его на ПФ1 и ПФ2 через дифф. выходы, что уменьшает взаимовлияние фильтров друг на друга. В ПФ1 выделяют НС требуемого для Конв.1 первого диапазона частот. Конв.1 преобразует высокочастотный НС в сигнал промежуточной частоты и оцифровывает его. На комплексный Вх1 коррелятора 9 поступают квантованные отсчеты НС первого диапазона частот. Аналогично в ПФ2 и Конв.1 выделяют, обрабатывают и передают на Вх2 коррелятора 9 сигнал второго диапазона частот. Далее обработанные сигналы поступают на в соответствующие входы каналов и блоков быстрого обнаружения. Включение внешнего МШУ (дополнительно к внутреннему в конверторах) позволяет уменьшить коэффициент шума, а следовательно, и чувствительность приемника. Применение двух фильтров (для каждого из диапазонов) обеспечивает независимость тракта GLONASS и тракта GPS/GALILEO, а так же увеличить помехоустойчивость приемника.
При включении приемника под управлением операционной системы реального времени процессора запускается штатное программное обеспечение из ППЗУ. В соответствии с алгоритмом его работы процессор управляет работой всех составляющих коррелятора, решает навигационную задачу, производит расчет и сохранение принимаемых данных спутников в энергонезависимую память ППЗУ, а также осуществляет изменение установок работы приемника и обмен данными с потребителем через UART0 и UART1.
В зависимости от настройки приемника процессор расставляет навигационные спутники в порядке приоритета. При "холодном" старте ведется поиск в порядке установленного приоритета. При "теплом" или "горячем" старте процессор осуществляет сортировку спутников системы по углу возвышения над горизонтом для текущего местоположения. Таким образом, процессор по шине данных подает команды в БО1-БО4 на поиск оценки задержки НС от определенного спутника в определенной СНС, определяя алгоритм работы блоков с НС (от спутников GLONASS либо GPS/SBAS длина и время НС одинакова, от спутников GALILEO длина и время НС приема вчетверо больше). Способы нахождения НС и оценки их задержки известны и не являются предметом заявки, поэтому не описываются.
При поиске НС от спутников GLONASS, GPS, SBAS БО функционируют независимо друг от друга. При этом в блоке обрабатывают сигнал, поступающий с соответствующего команде процессора входа (Вх.1 или Вх.2), находят наилучшую корреляционную сумму, передают ее в процессор. Таким образом, есть возможность вести поиск НС сразу от нескольких спутников одной СНС (в данном случае четырех), либо разных СНС, что увеличивает скорость работы приемника.
При необходимости поиска НС от определенного спутника GALILEO процессор подает общую команду во все четыре БО. После чего в БО1 принимают для обработки НС с Вх2 и передают далее на Доп. вых., а в БО2-БО4 прекращают прием НС с Вх1 и Вх2 и осуществляют прием НС через Доп. Вх. от предыдущего БО. При этом в каждом из БО осуществляют поиск своей четверти НС через расчет наилучшей частичной корреляционной суммы, передают результаты в процессор, где рассчитывают по четырем результатам наилучшую общую корреляционную сумму. В других реализациях полезной модели общую корреляционную сумму можно находить непосредственно в корреляторе (например, в дополнительном блоке либо в каком-либо БО).
В развернутой схеме коррелятора (в случае большего количества БО) последовательно соединяют любые четыре БО. Остальные могут работать независимо (для приема НС GLONASS, GPS, SBAS), либо объединены в группы по четыре БО (для приема НС GALILEO с другого указанного спутника).
Далее по оценке найденной корреляционной суммы процессор выносит решение о наличии сигнала от им заданного спутника.
При нахождении искомого сигнала процессор по оценке задержки сигнала рассчитывает фазу приема сигнала и подает в определенный канал команду для приема сигнала с найденной фазой приема сигнала. Если за отведенное на поиск время сигнал не найден, в соответствующий БО подают команду поиска следующего по приоритету спутника либо поиска этого же спутника.
В универсальных каналах производят прием НС (GLONASS, GPS/SBAS, GALILEO) с найденными фазами приема сигналов.
Прием сигналов как минимум с 4-х спутников позволяет процессору решить навигационную задачу. При увеличении количества навигационных спутников, от которых приняты сигналы, процессор определяет параметры объекта с меньшей погрешностью. В ФСМ 16 по команде от процессора и в соответствии с установками приемника формируют секундную метку времени.
В зависимости от настройки приемника, потребителю передают: через выход коррелятора - сигнал метки времени, через один из информационных портов (UART0 и UART1) процессора - навигационные параметры, а по другому принимают дифференциальные поправки (в ППЗУ) или передают навигационные параметры.
Состав и работа второго варианта приемника навигационного будут описаны в основном исполнении.
К высокочастотному антенному входу приемника навигационного, изображенного на структурной схеме Фиг.4, последовательно подключены малошумящий усилитель 21 (У), полосовой фильтр 22 (ПФ) и делитель мощности 23 (ДМ) с дифференциальными выходами. Первый выход ДМ 23 подключен к одному из входов первого Конвертора 24 (Конв1), настроенного на обработку сигнала первого диапазона частот. Второй выход ДМ 23 подключен к одному из входов второго Конвертора 25 (Конв2), настроенного на обработку сигнала второго диапазона частот. Выходы Конв1 и Конв2 подключены соответственно к первому (Вх1) и второму входам (Вх2) Цифрового тракта 26. Выход Цифрового тракта является Выходом приемника, а его первый и второй информационные Порты (UART0 и UART1) - соответствующими информационными Портами приемника. Часть структурной схемы, включающая элементы с 21 по 25, составляет аналоговый тракт приемника.
На третий вход цифрового тракта, второй вход Конв1 и второй вход Конв2 подают тактовую частоту от опорного генератора ОГ (ОГ и указанные связи на фиг.4 не показаны). Питание на требующие питания элементы схемы поступает, например, через стабилизатор напряжения либо стабилизированный источник питания.
Приемник начинает работать при подаче необходимого питания на стабилизатор. На соответствующие входы конверторов и цифрового тракта подают тактовую частоту с ОГ.
Через антенный вход приемника на У 21 поступают навигационные сигналы от спутников, находящихся в зоне видимости. У 21 усиливает входной сигнал, внося минимальную шумовую составляющую. В ПФ22 выделяют НС первого и второго диапазона частот. В ДМ 23 уменьшают мощность сигнала, передают его через дифф. Выходы в Конв.1 24 и Конв.2 25, каждый из которых обрабатывает НС соответствующей частоты, преобразуя его в сигнал промежуточной частоты и оцифровывая. Далее на комплексные Вх1 и Вх2 цифрового тракта 26 поступают квантованные отсчеты НС соответственно первого и второго диапазона частот. В цифровом тракте решают навигационную задачу, как описано выше.
На фиг.5 приведен вариант 3 приемника, где выход усилителя 1 напрямую соединен с выходами фильтров 3 и 5.
На фиг.6 приведен вариант 4 приемника, где выход ПФ22 напрямую соединен с входами конверторов 24 и 25.
В качестве конверторов (фиг.5 и 6) использованы однокристальные интегральные микросхемы МАХ2769, каждый из которых настроен на обработку своего диапазона частот.
Предлагаемые структурные схемы многоканального коррелятора позволяют приемнику обеспечить время первого определения навигационных параметров в СНС с доверительной вероятностью 0,95, с, не более:
- при «горячем» старте
2;
- при «теплом» старте
30;
- при «холодном» старте
35.
В предпочтительных вариантах обеспечивается дополнительная возможность приема в СНС GALILEO.
Предлагаемые структурные схемы приемников позволяют увеличить чувствительность устройств в 1,5 раза.