ПРИЕМНИК НАВИГАЦИОННЫЙ (ВАРИАНТЫ)

Предполагаемая полезная модель приемника навигационного относится к области радионавигации и может быть использована при конструировании малогабаритных приемников, которые используют сигналы спутниковых навигационных систем (СНС).
Приемник предназначен для использования в навигационных системах в качестве датчика координат для определения текущих значений координат (широта, долгота, высота), вектора скорости, а также текущего времени по сигналам СНС ГЛОНАСС, GPS (включая их функциональные дополнения SBAS), GALILEO, COMPASS в любой точке земного шара, в любой момент времени.
Основная область применения приемника - это автомобильные навигаторы, системы мониторинга транспорта, системы наблюдения и безопасности, карманные персональные навигаторы и другие малогабаритные приборы, используемые для навигации, навигационная аппаратура и аппаратура временной синхронизации.
Известен приемник навигационный (патент на полезную модель Российской Федерации №94350, «Приемник навигационный (варианты) и многоканальный коррелятор»), предназначенный 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 СНС.
Данный приемник навигационный, с учетом существенных, для предлагаемого устройства, признаков, выполненный с возможностью подачи стабилизированного питания на требующие питания элементы и опорной частоты на нуждающиеся в тактировании элементы, содержащий антенный вход приемника, малошумящий усилитель (МШУ), выход которого подключен через второй полосовой фильтр (ПФ) и первый вход первого конвертора к первому входу цифрового тракта, а также через третий ПФ и первый вход второго конвертора - ко второму входу цифрового тракта, выход которого является выходом приемника, а его информационный порт (инф. порт) - инф. портом приемника, при этом управляющий выход цифрового тракта подключен к управляющим входам первого и второго конверторов.
Кроме этого, данный приемник навигационный, с учетом частных, для предлагаемого устройства, признаков, содержит цифровой тракт, содержащий процессор, перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство и многоканальный коррелятор, причем первый и второй входы и выход многоканального коррелятора являются соответствующими входами и выходом цифрового тракта, а информационный порт процессора - информационным портом цифрового тракта.
Недостатком выбранного прототипа является недостаточное повышение чувствительности и низкая помехоустойчивость к внеполосным помехам.
Задачей полезной модели является повышение чувствительности и помехоустойчивости приемника навигационного с целью расширения применения в современных конечных устройствах, применяемых в различных условиях, в том числе, при высоких уровнях помех.
Предлагаемый приемник навигационный обладает высокой чувствительностью, быстрым определением первых достоверных координат и точного времени в сочетании с низким энергопотреблением и малыми размерами. Дополнительный результат - обеспечение высокой помехоустойчивости к внеполосным помехам за счет двух стадий высокочастотной фильтрации сигнала в первом варианте приемника навигационного.
Приемник навигационный. Вариант 1.
В приемнике навигационном поставленная задача решается за счет того, что в заявляемое устройство дополнительно введены первый ПФ, в частности широкополосный фильтр GPS+GLONASS, обеспечивающий эффективную фильтрацию внеполосных помех в дальней зоне, фильтр низких частот, состоящий из последовательно соединенных первой индуктивности и конденсатора, согласующая вторая индуктивность, первый и второй генераторы, вход первого ПФ подключен к антенному входу приемника, а выход к входу МШУ, первый вывод второй индуктивности соединен с входом второго ПФ, а второй вывод второй индуктивности соединен с входом третьего ПФ, первый вывод первой индуктивности соединен с антенным входом приемника и входом первого ПФ, а второй вывод конденсатора заземлен, выходы первого генератора подключены ко вторым входам первого и второго конверторов, входящих в аналоговый тракт, и третьему входу цифрового тракта, а второй генератор своим выходом подключен к четвертому входу цифрового тракта для обеспечения работы часов реального времени.
Приемник навигационный. Вариант 2.
В приемнике навигационном поставленная задача решается за счет того, что в заявляемом устройстве дополнительно введены второй антенный вход, второй МШУ, первый и второй генераторы, причем вход второго МШУ подключен ко второму антенному входу приемника, а выход к выходу первого МШУ и входу ПФ, выход которого дополнительно подключен к первому входу второго конвертора, выходы первого генератора подключены ко вторым входам первого конвертора и второго конвертора, входящих в аналоговый тракт, и третьему входу цифрового тракта, а второй генератор своим выходом подключен к четвертому входу цифрового тракта для обеспечения работы часов реального времени, причем ПФ выполнен в виде широкополосного фильтра GPS+GLONASS, обеспечивающий эффективную фильтрацию внеполосных помех в дальней зоне.
Предпочтительно также, чтобы во всех вариантах приемника третьим входом цифрового тракта является третий выход первого генератора, дополнительно введены часы реального времени, обеспечивающие счет времени на основе тактовых импульсов от второго генератора, оперативное запоминающее устройство, постоянное запоминающее устройство, блок интерфейсов, однократно программируемое запоминающее устройство, резервное оперативное запоминающее устройство и блок быстрого поиска сигналов (ББПС), входящий в состав многоканального коррелятора, соединенные между собой по шине адреса и данных.
Повышение чувствительности достигается специальным построением аналогового тракта, минимизирующим сквозной коэффициент шума тракта, а также специальной программно-аппаратной обработкой сигналов, поступающих от аналогового тракта в многоканальный коррелятор и ББПС, управляемых процессором, а также использованием компонентов для аналогового тракта, имеющих при существующих технологиях минимальный коэффициент шума.
Сущность полезной модели и ее реализуемость поясняется структурными схемами на фиг.1 и фиг.2.
На фиг.1 представлена структурная схема первого варианта приемника навигационного. Приемник навигационный по первому варианту содержит следующие составные части: 1 - первый антенный вход; 2 - первый полосовой фильтр (ПФ); 3 - малошумящий усилитель (МШУ); 4 - диплексор; 5 - аналоговый тракт; 6 - цифровой тракт; 7 - первый генератор; 8 - второй генератор; 9 - второй полосовой фильтр; 10 - третий полосовой фильтр; 11 - первый конвертор; 12 - второй конвертор; 13 - многоканальный коррелятор и ББПС; 14 - часы реального времени; 15 - оперативное запоминающее устройство (ОЗУ); 16 - постоянное запоминающее устройство (ОЗУ); 17 - процессор; 18 - резервное ОЗУ; 19 - блок интерфейсов; 20 - однократно программируемое запоминающее устройство (ОПЗУ); 21 - первая индуктивность; 22 - конденсатор; 23 - вторая индуктивность.
На фиг.2 представлена структурная схема второго варианта приемника навигационного. Приемник навигационный по второму варианту содержит следующие составные части: 1 - первый антенный вход; 2 - первый полосовой фильтр (ПФ); 3 - малошумящий усилитель (МШУ); 5 - аналоговый тракт; 6 - цифровой тракт; 7 - первый генератор; 8 - второй генератор; 11 - первый конвертор; 12 - второй конвертор; 13 - многоканальный коррелятор и ББПС; 14 - часы реального времени; 15 - оперативное запоминающее устройство (ОЗУ); 16 - постоянное запоминающее устройство (ОЗУ); 17 - процессор; 18 - резервное ОЗУ; 19 - блок интерфейсов; 20 - однократно программируемое запоминающее устройство (ОПЗУ); 24 - второй антенный вход; 25 - второй МШУ.
В качестве элементов схемы аналогового тракта используют стандартные изделия, выпускаемые российскими и зарубежными фирмами. Компоненты для аналогового тракта выбираются с минимальным коэффициентом шума.
Многоканальный коррелятор и блок быстрого поиска сигналов 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. Эффективное количество корреляторов и блока быстрого поиска определяет скорость поиска сигналов и, в конечном итоге, определения местоположения.
В качестве процессора обработки навигационных сигналов используют, например, контроллеры или процессоры (семейство ARM), а в качестве ПЗУ - масочное ПЗУ, Flash-ПЗУ либо другие устройства соответствующего назначения.
В качестве конверторов (преобразователей сигналов) использованы, в частности, интегральные микросхемы МАХ2769 фирмы MAXIM.
Для синхронной работы аналогового и цифрового трактов в приемник введен первый генератор, в частности, термокомпенсированный опорный генератор. Для обеспечения работы часов реального времени введен второй генератор, в частности, кварцевый генератор.
Приемник навигационный по первому варианту исполнения работает следующим образом.
Приемник навигационный имеет двухкаскадную схему высокочастотной фильтрации, обладает высокой помехоустойчивостью к внеполосным помехам и предназначен для использования с активной антенной.
Приемник навигационный, выполнен по схеме, обеспечивающей подачу стабилизированного питания на требующие питания элементы, и опорной частоты на нуждающиеся в тактировании элементы.
Подача напряжения номиналом 2,65 В на высокочастотный вход для питания активной антенны 1 осуществляется от аналогового тракта 5 приемника через фильтр низких частот, состоящий из первой индуктивности 21 и конденсатора 22.
С высокочастотного входа сигнал поступает на первый полосовой фильтр 2, обеспечивающий эффективную фильтрацию внеполосных помех в дальней зоне (обеспечивается подавление частот GSM, WiFi, WiMAX, Bluetooth не менее чем на 40 дБ).
Затем сигнал поступает на МШУ 3 и с его выхода на диплексор 7, состоящий из второй индуктивности 23, второго полосового фильтра 9 и третьего фильтра 10, обеспечивающий разделение диапазонов частот GPS и ГЛОНАСС и эффективное подавление частот в ближней зоне (в том числе частоты SATCOM). Две стадии высокочастотной фильтрации обеспечивают высокую помехоустойчивость приемника даже при работе с недорогими активными антеннами, не имеющими встроенного фильтра.
С выхода диплексора 4 сигнал поступает на аналоговый тракт 5, состоящий из конвертора 11 и конвертора 12, в виде двух независимых аналоговых микросхем, обеспечивающих формирование двух каналов приема:
- GPS/GALILEO/COMPASS/SBAS L1 (1575,42 МГц @ (где @ - полоса пропускания) 4 МГц);
- ГЛОНАСС L1 (1601,5 МГц @ 8 МГц).
В каждом конверторе осуществляется перенос спектров спутниковых сигналов в область промежуточной частоты (ПЧ) порядка 4-5 МГц и фильтрация в полифазных фильтрах, имеющих полосы пропускания 4 МГц для GPS и 8 МГц для ГЛОНАСС, а также усиление сигнала, охваченное петлей автоматической регулировки, и оцифровка сигнала двухразрядным аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Цифровой сигнал для дальнейшей обработки передается в цифровой тракт 6, выполненный на СБИС. Цифровой тракт 6 осуществляет обработку входных сигналов, определение их параметров, вычисление местоположения и последующую выдачу этих данных через блок интерфейсов 19 по одному или нескольким интерфейсам.
После подачи напряжения питания на приемник навигационный производится поиск и прием сигналов навигационных космических аппаратов (НКА), решение навигационной задачи и определение альманаха. При наличии альманахов приемник навигационный производит отключение незадействованных каналов коррелятора и переходит в режим энергосбережения при работе в режиме слежения.
Приемник навигационный по второму варианту исполнения работает следующим образом.
Приемник навигационный содержит два ВЧ-входа для подключения активной антенны (первый антенный вход 1) и пассивной антенны (второй антенный вход 24).
Режим работы приемника навигационного только с активной антенной или режим автоматического выбора антенны определяется настройкой приемника или командами от пользовательской системы. При включении функции автоматического выбора антенного входа, выбор осуществляется приемником навигационным автоматически по наличию тока в цепи питания активной антенны:
- при наличии тока потребления больше 1,1 мА, обрабатывается сигнал с входа активной антенны;
- при отсутствии - с входа пассивной антенны.
По умолчанию установлен режим работы с активной антенной.
Приемный тракт приемника навигационного, состоящий из первого и второго МШУ, первого полосового фильтра, аналогового тракта, обеспечивает устойчивую работу и выполнение им требований по назначению при воздействии (на вход подключения активной антенны приемника навигационного) внеполосной помехи.
С выхода МШУ 3 или 25 сигнал поступает на первый полосовой фильтр 2, в частности широкополосный ВЧ-фильтр GPS+GLONASS, обеспечивающий высокий уровень подавления внеполосных помех.
С выхода первого ПФ 2 сигнал поступает на аналоговый тракт 5, состоящий из конвертора 11 и конвертора 12, в виде двух независимых аналоговых микросхем, обеспечивающих формирование двух каналов приема:
- GPS/GALILEO/COMPASS/SBAS L1 (1575,42 МГц @ (где @ - полоса пропускания) 4 МГц);
- ГЛОНАСС L1 (1601,5 МГц @ 8 МГц).
В каждом конверторе осуществляется перенос спектров спутниковых сигналов в область промежуточной частоты (ПЧ) порядка 4-5 МГц и фильтрация в полифазных фильтрах, имеющих полосы пропускания 4 МГц для GPS и 8 МГц для ГЛОНАСС, а также усиление сигнала, охваченное петлей автоматической регулировки, и оцифровка сигнала двухразрядным аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Цифровой сигнал для дальнейшей обработки передается в цифровой тракт 6, выполненный на СБИС.
Цифровой тракт 6 осуществляет обработку входных сигналов, определение их параметров, вычисление местоположения и последующую выдачу этих данных через блок интерфейсов 19 по одному или нескольким интерфейсам.
По умолчанию оба конвертора включены, обеспечивая одновременный прием всех доступных навигационных сигналов. Для обеспечения снижения энергопотребления может быть выключен один конвертер.
После подачи напряжения питания на приемник навигационный производится начальное тестирование. После успешного окончания начального тестирования автоматически производится поиск и прием сигналов НКА. При наличии альманахов приемник навигационный производит отключение незадействованных каналов и переход в режим энергосбережения в слежении.
По интерфейсным выводам приемник навигационный принимает команды управления режимами работы, выдает потребителю навигационные параметры.
SPI-интерфейс приемника навигационного используется для подключения и поддержки и работы с patch от SPI-Flash или SPI-EEPROM.
Приемник навигационный формирует и выдает импульс временной синхронизации через выходы «сигнал секундной метки».
Заявляемая полезная модель может быть реализована в условиях промышленного производства с использованием стандартного оборудования, современных материалов и технологий, а также обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в создании навигационного приемника с улучшенными свойствами чувствительности и помехоустойчивости, обладает высокой чувствительностью, быстрым определением первых достоверных координат и точного времени в сочетании с низким энергопотреблением и малыми размерами, в нем реализованы две стадии высокочастотной фильтрации сигнала, обеспечивающие высокую помехозащищенность в городских и промышленных условиях, железнодорожных станциях и других местах с высоким уровнем помех.