Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРИЕМА СИГНАЛОВ СПУТНИКОВЫХ РАДИОНАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРИЕМА СИГНАЛОВ СПУТНИКОВЫХ РАДИОНАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРИЕМА СИГНАЛОВ СПУТНИКОВЫХ РАДИОНАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Изобретение относится к области радионавигации, а именно к радиоприемным устройствам. Техническим результатом является создание устройства, осуществляющего одновременный прием сигналов спутниковых радионавигационных систем (СРНС) "GPS" и "Глонасс". Устройство позволяет принимать сигналы СРНС "GPS" и "Глонасс" литерных частот с номерами или от 7 до 4 или от 0 до 12 при использовании одного синтезатора частоты для формирования гетеродинных частот. 5 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2145422
Класс(ы) патента: G01S1/00, G01S1/04, G01S1/20, H04B1/06
Номер заявки: 98115526/09
Дата подачи заявки: 11.08.1998
Дата публикации: 10.02.2000
Заявитель(и): Закрытое акционерное общество Фирма "Котлин"
Автор(ы): Галичина И.Е.; Недера В.М.; Никулин В.С.
Патентообладатель(и): Закрытое акционерное общество Фирма "Котлин"
Описание изобретения: Изобретение относится к области радионавигации и может быть использовано в навигационной аппаратуре потребителей спутниковых радионавигационных систем (СРНС), а конкретно - в радиоприемных устройствах, осуществляющих одновременный прием сигналов СРНС "GPS" и "Глонасс" в частотном диапазоне L1 c кодовой модуляцией соответственно "открытым" кодом в СРНС "GPS" и кодом "стандартной точности" в СРНС "Глонасс", при этом также осуществляется преобразование принятых сигналов СРНС к виду, позволяющему осуществлять последующие радионавигационные измерения.
Как известно, см. например [1, С. 13-15], [2, с. 35], сигналы, излучаемые навигационными искусственными спутниками Земли (НИСЗ) СРНС "GPS" и использующие "открытый" код для радионавигационных измерений, представляют собой радиосигналы, передаваемые в частотном диапазоне L1 (несущая частота 1575,42 МГц) и модулированные "C/A" кодом по фазе (0, π "C/A" код сформирован по закону псевдослучайной последовательности (ПСП) с периодом 1 мс и тактовой частотой 1,023 МГц. Передаваемый в диапазоне частот L1 "C/A" код, называемый также кодом "стандартной точности", открыт для всех потребителей навигационной информации и используется в радионавигационной аппаратуре "стандартной точности", к классу которой относится заявляемое устройство. Частотная полоса сигналов СРНС "GPS", промодулированных "C/A" кодом в диапазоне L1, составляет (1574,397 - 1576, 443) МГц [1, с. 16], [2, с. 64, рис. 4.3]. Расположение частотной полосы сигналов СРНС "GPS" диапазона L1 показано на фиг. 1а (сплошная линия), где ширина спектра сигналов определена по первым нулям спектра в условиях модуляции "C/A" кодом. Для идентификации сигналов, излучаемых различными НИСЗ, в СРНС "GPS" используется кодовое разделение сигналов.
В отличие от СРНС "GPS", в СРНС "Глонасс", см. например [2, стр. 28-30], принято частотное разделение сигналов, излучаемых различными НИСЗ.
Сигналы НИСЗ СРНС "Глонасс" идентифицируются по значению номинала их несущей ("литерной") частоты, лежащей в отведенном диапазоне частот. Номиналы литерных частот формируются по правилу:
fi = f0+iΔf,
где fi - номиналы литерных частот;
f0 - нулевая литерная частота;
i - номера литерных частот;
Δf - интервал между литерными частотами.
Для частот диапазона L1 (вблизи 1600 МГц) - f0 = 1602 МГц, Δf = 0,5625 МГц.
Распределение литерных частот среди функционирующих НИСЗ СРНС "Глонасс" задается альманахом, передаваемым в кадре служебной информации.
Литерные частоты вводятся в соответствии с "Интерфейсным контрольным документом [3] ". В настоящее время введены литерные частоты от i = 0 до i = 12, в дальнейшем, в соответствии с [3], предусматривается введение и использование литерных частот от i = -7 до i = 4.
Для целей стандартных навигационных определений сигналы СРНС "Глонасс" в диапазоне L1 промодулированы кодом ПСП стандартной точности (с тактовой частотой 0,511 МГц) - аналогично модуляции "C/A" кодом в СРНС "GPS".
Частотная полоса сигналов СРНС "Глонасс", промодулированных кодом стандартной точности в диапазоне L1, для литерных частот от i = 0 до i = 12 занимает диапазон (1601, 489 - 1609, 261) МГц (фиг. 1б, сплошная линия), а для литерных частот от i = -7 до i = 4 - занимает диапазон (1597, 5515 - 1604,76) МГц (фиг. 1в, сплошная линия). Ширина частотных полос, занимаемых сигналами СРНС "Глонасс", представленных на фиг. 1а,б, определена по первым нулям спектра при модуляции кодом стандартной точности, т.е. границы частотного диапазона L1 для случая литерных частот от i = 0 до i = 12 (нижняя fн1 и верхняя fв1) определены исходя из соотношений:
fн1= f0-0,511 МГц=(1602-0,511) МГц = 1601, 489 МГц;
fв1 = f12+ 0,511 МГц = (1608,75 + 0,511) МГц = 1609, 261 МГц,
а границы частотного диапазона L1 для случая литерных частот от i = -7 до i = 4 (нижняя fн2 и верхняя fв2) определены исходя из соотношений:
fн2 = f-7-0,511 МГц =(1598,0625 -0,511) МГц = 1597, 5515МГц;
fн2= f4 + 0,511 МГц = (1604,25 + 0,511) МГц = 1604, 761 МГц.
В целях уменьшения шумовой ошибки слежения за кодом и уменьшения ошибок, связанных с многолучевостью распространения сигнала, при последующей цифровой обработке принимаемых сигналов СРНС в аппаратуре потребите лей используется, как правило, метод "узкого" коррелятора [4]. Для реализации указанного метода цифровой обработки сигналов СРНС радиоприемный тракт должен иметь более широкую полосу пропускания, т.е. должен пропускать полосу частот сигналов с учетом по крайней мере 2-4 лепестков по обе стороны от несущей, определенных соответственно по 2-4 нулям в спектре сигнала для любой литерной частоты сигнала "Глонасс" и всех сигналов системы "GPS". Определенная таким образом (по четырем нулям спектра при модуляции кодом стандартной точности в диапазоне L1) полоса частот сигналов СРНС "Глонасс" для случая литерных частот от i = 0 до i = 12 занимает диапазон (1599,956 - 1610, 794) МГц (фиг. 1б - пунктир), а для случая литерных частот от i = -7 до i = 4 - занимает диапазон (1596,0185 - 1606, 294) МГц (фиг. 1в - пунктир). Определенная аналогично по четырем нулям спектра при модуляции "C/A" кодом частотная полоса сигналов СРНС "GPS" в диапазоне L1 занимает диапазон (1571,328 - 1579, 512) МГц (фиг. 1а - пунктир).
Различия, существующие между сигналами СРНС "GPS" и "Глонасс", обусловленные кодовым разделением при одной несущей в СРНС "GPS" и частотным разделением при нескольких несущих, определяемых литерными частотами, в СРНС "Глонасс", обуславливают различия в технических средствах, с помощью которых осуществляется прием сигналов этих СРНС и преобразование их к виду, позволяющему осуществлять последующие радионавигационные измерения.
Известно, например из [5, фиг. 1], устройство для приема сигналов СРНС "GPS", содержащее малошумящий усилитель, фильтр, первый смеситель, усилитель первой промежуточной частоты, квадратурный смеситель, два квантователя для синфазного и квадратурного каналов, формирователь сигнала первой гетеродинной частоты (1401,51 МГц), а также блок деления, формирующий из сигнала первой гетеродинной частоты сигнал второй гетеродинной частоты. Устройство решает техническую задачу приема и преобразования сигналов СРНС "GPS" к виду, позволяющему потребителю осуществлять в дальнейшем соответствующие радионавигационные измерения. Устройство не позволяет решить задачу приема сигналов СРНС "Глонасс".
Известно, например из [2, с. 147-148, рис. 9.2], устройство для приема сигналов СРНС "Глонасс", реализованное в составе одноканальной аппаратуры потребителей "АСН-37". Устройство содержит входной фильтр, малошумящий усилитель, первый смеситель, усилитель промежуточной частоты, фазовый демодулятор, второй смеситель с фазовым подавлением зеркального канала, ограничитель, синтезатор литерных частот, формирователи гетеродинных частот. Синтезатор литерных частот формирует свои выходные сигналы в соответствии с литерными частотами принимаемых сигналов СРНС "Глонасс". Шаг литерных частот, формируемых синтезатором, составляет 0,125 МГц. Сигнал первой гетеродинной частоты формируется в результате умножения частоты выходного сигнала синтезатора на четыре, а сигнал второй гетеродинной частоты - в результате деления частоты выходного сигнала синтезатора на два. Устройство решает техническую задачу приема и преобразования сигналов СРНС "Глонасс" к виду, позволяющему потребителю осуществлять соответствующие радионавигационные измерения. Устройство не позволяет решить задачу приема сигналов СРНС "GPS".
Несмотря на указанные выше различия, существующие между СРНС "GPS" и "Глонасс", их близость по баллистическому построению орбитальной группировки НИСЗ и используемому частотному диапазону, позволяет ставить и решать задачи, связанные с созданием интегрированной навигационной аппаратуры потребителей, работающей по сигналам этих двух СРНС. Достигаемый при этом результат состоит в повышении надежности, достоверности и точности определения местоположения объекта, в частности, за счет возможности выбора рабочих созвездий НИСЗ с лучшими значениями геометрических факторов [2, с. 160]. В наибольшей степени этот результат важен для аппаратуры, определяющей местоположение по сигналам частотного диапазона L1, промодулированных кодами стандартной точности.
Известно, см., например, [2, с. 158-161, рис. 9.8], устройство, решающее задачу приема сигналов СРНС "GPS" и "Глонасс" частотного диапазона L1 и преобразования их к виду, позволяющему с помощью цифрового процессора (процессора первичной обработки и навигационного процессора) осуществить последующие радионавигационные измерения и определение местоположения объекта. Устройство содержит частотный разделитель ("диплексер"), осуществляющий частотное разделение сигналов СРНС "GPS" и "Глонасс", полосовые фильтры и малошумящие усилители каналов "GPS" и "Глонасс", смеситель, СВЧ-коммутатор, подключающий на сигнальный вход смесителя сигналы СРНС "GPS" или "Глонасс", СВЧ-коммутатор, подключающий на опорный вход смесителя сигнал первого гетеродина для канала "GPS" или канала "Глонасс". За счет соответствующего формирования частоты гетеродинного сигнала первая промежуточная частота является постоянной для сигналов СРНС "GPS" и "Глонасс" и весь дальнейший тракт устройства реализован как общий для этих сигналов.
Особенностью устройства является то, что прием и преобразование сигналов каждой из СРНС осуществляется последовательно во времени с использованием одного и того же радиоканала, что увеличивает время, затрачиваемое при последующей обработке на получение навигационной информации. Кроме этого, реализация устройства требует сложного по своему выполнению высокочастотного переключаемого синтезатора частот, обеспечивающего формирование двух разных гетеродинных сигналов, используемых для преобразования сигналов СРНС "GPS" и "Глонасс" соответственно.
Известно устройство для приема сигналов СРНС "GPS" и "Глонасс", описанное в [6, с. 835-844, фиг. 2], в котором решена задача одновременного приема сигналов СРНС "GPS" и "Глонасс" (литерные частоты от i = 1 до i = 24) с преобразованием их к виду, позволяющему осуществлять последующие радионавигационные измерения с помощью цифрового процессора. Функционально законченная часть этого устройства, решающая задачу одновременного приема сигналов СРНС "GPS" и "Глонасс" частотного диапазона L1, принята в качестве прототипа.
Структурная схема устройства, принятого в качестве прототипа, представлена на фиг. 2.
Устройство, принятое в качестве прототипа, содержит (фиг.2) входной блок 1, вход которого является сигнальным входом устройства, блок 2 первого преобразования частоты сигналов, содержащий последовательно соединенные входной усилитель 3, смеситель 4 и усилитель 5 промежуточной частоты, первый 6 и второй 7 каналы второго преобразования частоты сигналов - соответственно сигналов СРНС "GPS" и "Глонасс", выходы которых являются выходами устройства, а также формирователь (синтезатор) 8 сигнала первой гетеродинной частоты и формирователь 9 сигнала тактовой частоты.
Канал 6 второго преобразования частоты сигналов содержит последовательно соединенные первый фильтр 10, вход которого является входом канала 6, смеситель 11, второй фильтр 12 и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 13, выход которого является выходом канала 6.
Канал 7 второго преобразования частоты сигналов содержит последовательно соединенные первый фильтр 14, вход которого является входом канала 7, смеситель 15, второй фильтр 16 и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 17, выход которого является выходом канала 7.
Входы фильтров 10 и 14 соответственно первого 6 и второго 7 каналов второго преобразования частоты сигналов подключены к выходу усилителя 5, то есть к выходу блока 2 первого преобразования частоты сигналов. Вход усилителя 3, то есть вход блока 2, подключен к выходу блока 1. Опорный вход смесителя 4 блока 2 первого преобразования частоты сигналов соединен с выходом формирователя (синтезатора) 8 сигнала первой гетеродинной частоты. Тактовые входы АЦП 13 и 17 соответственно первого 6 и второго 7 каналов второго преобразования частоты сигналов соединены с выходом формирователя 9 сигнала тактовой частоты. Опорные входы смесителей 11 и 15 соответственно первого 6 и второго 7 каналов второго преобразования частоты сигналов подключены к выходам двух отдельных формирователей (синтезаторов) сигналов второй и третьей гетеродинных частот (на фиг. 2 не показаны).
Устройство, принятое в качестве прототипа, работает следующим образом.
Сигналы СРНС "GPS" и "Глонасс" частотного диапазона L1 с входной антенны (на фиг. 2 не показана) через входной блок 1, осуществляющий частотную фильтрацию сигналов данного частотного диапазона, поступают на вход блока 2 первого преобразования частоты сигналов.
В блоке 2 первого преобразования частоты сигналов сигналы СРНС "GPS" и "Глонасс" частотного диапазона L1 усиливаются во входном усилителе 3, преобразуются по частоте в смесителе 4 и усиливаются в усилителе 5 промежуточной частоты.
Для первого преобразования частоты, осуществляемого в блоке 2, в устройстве-прототипе используется сигнал первой гетеродинной частоты fг1 = 1416 МГц, синтезируемый формирователем 8 сигнала первой гетеродинной частоты.
Преобразованные в блоке 2 сигналы СРНС "GPS" и "Глонасс" частотного диапазона L1 поступают на входы первого 6 и второго 7 каналов второго преобразования частоты сигналов, то есть на входы фильтров 10 и 14. Каждый из этих фильтров осуществляет фильтрацию сигналов одной из СРНС, а именно, фильтр 10 - фильтрацию сигналов СРНС "GPS", а фильтр 14 - фильтрацию сигналов СРНС "Глонасс".
Отфильтрованные с помощью фильтров 10 и 14 от внеполосных помех и разделенные по системам ("GPS" и "Глонасс") преобразованные по частоте сигналы в каждом из каналов 6 и 7 поступают на сигнальные входы смесителей 11 и 15 соответственно.
Для второго преобразования частоты, осуществляемого в каналах 6 и 7, в устройстве-прототипе используются сигналы второй и третьей гетеродинных частот fг2 = 173,9 МГц и fг3 = 178,8 МГц, синтезируемые соответствующими формирователями (синтезаторами) гетеродинных частот (на фиг. 2 не показаны). При этом сигнал второй гетеродинной частоты fг2 = 173,9 МГц используется для преобразования сигналов СРНС "GPS" в смесителе 11 первого канала 6, а сигнал третьей гетеродинной частоты fг3 = 178,8 МГц используется для преобразования сигналов СРНС "Глонасс" в смесителе 15 второго канала 7.
Преобразованные с помощью смесителей 11 и 15 сигналы СРНС "GPS" и "Глонасс" в каждом из каналов 6 и 7 фильтруются с помощью фильтров 12 и 16, а затем преобразуются в цифровую форму с помощью АЦП 13 и 17.
Тактовая частота, определяющая частоту аналого-цифрового преобразования (т.е. частоту дискретизации по времени), в устройстве-прототипе выбрана 57,0 МГц - из условия исключения потерь навигационной информации, содержащейся в принимаемых сигналах, при преобразовании сигналов из аналоговой формы в цифровую.
Значения гетеродинных частот fг2 = 173,9 МГц и fг3 = 178,8 МГц для второго преобразования частоты сигналов в устройстве- прототипе выбраны таким образом, чтобы средняя частота сигналов СРНС "GPS" и "Глонасс" на второй промежуточной частоте была бы близка к 14,25 МГц. Это обстоятельство обусловлено особенностями цифровой обработки сигналов, примененной в прототипе, где тактовая частота 4-битового АЦП выбрана равной fт = 57,0 МГц (4· 14,25 МГц) и использованы специализированные цифровые фильтры, выделяющие двухбитовые синфазную и квадратурную выборки с частотой 28,5 МГц (2 · 14,25 МГц) [6,с.837].
С выходом АЦП 13 и 17 преобразованные по частоте и представленные в цифровом коде сигналы СРНС "GPS" и "Глонасс" частотного диапазона L1 поступают на первый и второй выходы устройства. Выходные сигналы устройства далее обрабатываются в цифровом навигационном процессоре (на фиг. 2 не показан) для получения навигационной информации.
Решения, реализуемые в устройстве-прототипе при частотном преобразовании принимаемых сигналов, основываются на отсутствии ограничений, накладываемых на число синтезаторов, используемых для формирования сигналов гетеродинных частот. Действительно, в устройстве-прототипе используются три гетеродинных сигнала: первый - с частотой 1416 МГц, второй - с частотой 173,9 МГц, третий - с частотой 178,8 МГц. Ни одна из этих гетеродинных частот не может быть получена из другой гетеродинной частоты, используемой в устройстве-прототипе, путем простого умножения или деления. Поэтому гетеродинные частоты синтезируются с помощью трех отдельных формирователей (синтезаторов) гетеродинных частот, каждый из которых представляет собой сложное по реализации самостоятельное радиотехническое устройство. Сложность синтезаторов гетеродинных частот, применяемых в устройствах для приема сигналов СРНС, обусловлена высокими требованиями, предъявляемыми к стабильности синтезируемых частот (относительная нестабильность частоты 10-11 - 10-12 за 1 с [7]), поскольку от этого в значительной степени зависят выходные характеристики приемного устройства в целом.
В этой связи очевидна актуальность задачи упрощения гетеродинного оборудования, например уменьшение числа синтезаторов частоты. От решения этой задачи зависит возможность упрощения приемного устройства в целом, что важно, например, для построения приемного устройства, осуществляющего прием и преобразование сигналов СРНС "GPS" и "Глонасс" в составе бортовой радионавигационной аппаратуры, и особенно в составе портативных (карманных) приемоиндикаторов, предназначенных для массового использования широким кругом пользователей.
Другой актуальной задачей, которая не ставилась и не решалась в устройстве-прототипе, является задача обеспечения возможности приема сигналов СРНС "Глонасс" с дополнительными (от -7 до 0) литерными частотами, вводимыми в соответствии с "Интерфейсным контрольным документом" [3], при минимальных технических затратах и без существенного усложнения аппаратуры. Действительно, решение этой задачи, вытекающей из необходимости обеспечения жизненного цикла устройства в условиях изменения номеров литерных частот сигналов СРНС "Глонасс", вводимых в соответствии с [3], невозможно в рамках решений, реализованных в устройстве-прототипе, без увеличения тактовой частоты дискретизации и изменения номиналов гетеродинных частот, что связано с усложнением синтезаторов гетеродинных частот, например, выполнением их перестраиваемыми.
Задачей заявляемого изобретения является создание устройства, осуществляющего одновременный прием и преобразование сигналов СРНС "GPS" и "Глонасс", промодулированных кодами стандартной точности в диапазоне L1, с использованием одного синтезатора для формирования гетеродинных частот, с обеспечением возможности приема и обработки сигналов СРНС "Глонасс" в условиях изменения в соответствии с [3] номеров литерных частот сигналов СРНС "Глонасс" (i = 0 - 12 или i = -7 - 4), причем перестройка устройства в условиях изменения литерных частот должна осуществляться под воздействием внешнего логического сигнала управления.
Кроме этого, заявляемое устройство должно давать возможность поддерживать режим обработки сигналов в "узком" корреляторе, принимая и обрабатывая расширенный, с учетом нескольких боковых лепестков, спектр сигналов СРНС "GPS" и "Глонасс", промодулированных "C/A" кодом и кодом "стандартной точности" соответственно.
Сущность изобретения заключается в том, что в устройство для приема сигналов спутниковых радионавигационных систем (СРНС), содержащее входной блок, вход которого является сигнальным входом устройства, блок первого преобразования частоты сигналов, первый и второй каналы второго преобразования частоты сигналов, выходы которых являются первым и вторым выходами устройства соответственно сигналов СРНС "GPS" и "Глонасс", а также формирователь сигнала первой гетеродинной частоты и формирователь сигнала тактовой частоты, при этом блок первого преобразования частоты сигналов содержит последовательно соединенные входной усилитель, вход которого соединен с выходом входного блока, смеситель, опорный вход которого соединен с выходом формирователя сигнала первой гетеродинной частоты, и усилитель промежуточной частоты, выход которого подключен к входам первого и второго каналов второго преобразования частоты сигналов, каждый из которых содержит последовательно соединенные первый фильтр, вход которого является входом канала, смеситель, второй фильтр и аналого-цифровой преобразователь, выход которого является выходом канала, а тактовый вход соединен с выходом формирователя сигнала тактовой частоты, дополнительно введены блок деления частоты с постоянным коэффициентом деления частоты на восемь и блок деления частоты с переключаемым коэффициентом деления частоты на семь или восемь, сигнальные входы которых подключены к выходу формирователя сигнала первой гетеродинной частоты, при этом опорный вход смесителя первого канала второго преобразования частоты сигналов подключен к выходу блока деления частоты с постоянным коэффициентом деления частоты на восемь, а опорный вход смесителя второго канала второго преобразования частоты сигналов подключен к выходу блока деления частоты с переключаемым коэффициентом деления частоты на семь или восемь, управляющий вход которого является управляющим входом устройства.
Сущность заявляемого устройства, возможность его осуществления и промышленного использования поясняются чертежами и частотными диаграммами, представленными на фиг. 1 - 5, где:
на фиг. 1 представлены частотные диаграммы, поясняющие распределение частотных полос сигналов СРНС "GPS" (фиг. 1 а) и "Глонасс" с литерными частотами от i = 0 до i = 12 (фиг. 1б) и с литерными частотами от i = -7 до i = 4 (фиг. 1 в);
на фиг. 2 изображена структурная схема устройства, принятого в качестве прототипа;
на фиг. 3 изображена структурная схема заявляемого устройства;
на фиг. 4 представлены частотные диаграммы, поясняющие распределение частотных полос сигналов СРНС "GPS" (фиг.4а) и "Глонасс" с литерными частотами от i = 0 до i = 12 (фиг.4б) и с литерными частотами от i = -7 до i = 4 (фиг.4в) после первого преобразования частоты в заявляемом устройстве;
на фиг. 5 представлены частотные диаграммы, поясняющие распределение частотных полос сигналов СРНС "GPS" (фиг.5а) и "Глонасс" с литерными частотами от i = 0 до i = 12 (фиг.5б) и с литерными частотами от i = -7 до i = 4 (фиг. 5в) после второго преобразования частоты в заявляемом устройстве.
Заявляемое устройство содержит, см. фиг. 3, входной блок 1, вход которого является сигнальным входом устройства, блок 2 первого преобразования частоты сигналов, содержащий последовательно соединенные входной усилитель 3, смеситель 4 и усилитель 5 промежуточной частоты, первый 6 и второй 7 каналы второго преобразования частоты сигналов, выходы которых являются первым и вторым выходами устройства соответственно сигналов СРНС "GPS" и "Глонасс", формирователь 8 сигнала первой гетеродинной частоты и формирователь 9 сигнала тактовой частоты.
Канал 6 второго преобразования частоты сигналов содержит последовательно соединенные первый фильтр 10, смеситель 11, второй фильтр 12 и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 13, выход которого является выходом канала 6.
Канал 7 второго преобразования частоты сигналов содержит последовательно соединенные первый фильтр 14, смеситель 15, второй фильтр 16 и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 17, выход которого является выходом канала 7.
Входы фильтров 10 и 14, являющиеся входами соответственно первого 6 и второго 7 каналов второго преобразования частоты сигналов, подключены к выходу усилителя 5, то есть к выходу блока 2 первого преобразования частоты сигналов.
Вход усилителя 3, то есть вход блока 2 первого преобразования частоты сигналов, подключен к выходу блока 1.
Опорный вход смесителя 4 блока 2 первого преобразования частоты сигналов соединен с выходом формирователя 8 сигнала первой гетеродинной частоты.
Тактовые входы АЦП 13 и 17 первого 6 и второго 7 каналов второго преобразования частоты сигналов соединены с выходом формирователя 9 сигнала тактовой частоты.
Заявляемое устройство содержит также блок деления частоты 18 с постоянным коэффициентом деления частоты на восемь и блок деления частоты 19 с переключаемым коэффициентом деления частоты на семь или восемь, управляющий вход которого является управляющим входом устройства.
Сигнальные входы блоков деления частоты 18 и 19 подключены к выходу формирователя 8 сигнала первой гетеродинной частоты.
Опорный вход смесителя 11 первого канала 6 второго преобразования частоты сигналов подключен к выходу блока деления частоты 18 с постоянным коэффициентом деления частоты на восемь, а опорный вход смесителя 15 второго канала 7 второго преобразования частоты сигналов подключен к выходу блока деления частоты 19 с переключаемым коэффициентом деления частоты на семь или восемь.
Входной блок 1 заявляемого устройства представляет собой известное, широко применяемое в технике приема сигналов СРНС фильтрующее устройство, реализованное, например, в виде фильтра на дисковых диэлектрических резонаторах [8, с. 58, рис. 2.20].
Входной усилитель 3 блока 2 первого преобразования частоты сигналов может быть реализован по известной схеме малошумящего усилителя на транзисторе с общим эмиттером, описанной, например, в [9, с. 241, рис. 8.12].
Смеситель 4 блока 2 первого преобразования частоты сигналов представляет собой известное в технике приема и обработки сигналов СРНС устройство, выполненное по схеме балансного диодного смесителя, описанное, в частности, в [9, с. 258 - 260, рис. 8.25].
Усилитель 5 промежуточной частоты блока 2 первого преобразования частоты сигналов может быть реализован, например, по известной схеме усилителя на дифференциальном каскаде с "общим эмиттером - общей базой", описанной в [9, с. 137- 141, рис. 5.5].
Фильтры 10 и 14 первого 6 и второго 7 каналов второго преобразования частоты сигналов, представляющие собой одиночные полосовые фильтры, могут быть реализованы, например, по известной схеме, описанной в [9, с. 217-220], в виде фильтров на поверхностных акустических волнах.
Смесители 11 и 15 первого 6 и второго 7 каналов второго преобразования частоты сигналов могут быть выполнены, например, по схеме аналогового перемножителя, описанной в [9, с. 156-158, рис. 5.13].
Фильтры 12 и 16 первого 6 и второго 7 каналов второго преобразования частоты сигналов могут быть выполнены в виде полосовых фильтров на LC элементах по схеме, описанной, например, в [10, с. 85, рис. 4.04.1], с конструкцией, совместимой с микроэлектронными компонентами [9, с. 183- 188].
Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) 13 и 17 первого 6 и второго 7 каналов второго преобразования частоты сигналов могут быть реализованы по известной схеме параллельного АЦП, описанной, в частности, в [11, с.41 - 45, рис. 2.5].
Формирователь 8 сигнала первой гетеродинной частоты может быть реализован, например, по известной схеме синтезатора частот "1,3/ 1,5 GHz low power single-chip frequency synthesiser SP8853", описанной в [12, с. 2-3 oC 2-14, фиг. 6].
Формирователь 9 сигнала тактовой частоты может быть реализован, например, по известной схеме "A Serial Programmable VHF Frequency Synthesiser", описанной в [12, с. 4-46, фиг. 1].
Блок деления частоты 18 с постоянным коэффициентом деления частоты на восемь может быть выполнен, например, по известной схеме высокочастотного делителя, описанной в [12, с.3-158, фиг.2], и реализован на стандартной микросхеме типа "SP8808" ("3.3 GHz - 8 Fixed Modulus Divider").
Блок деления частоты 19 с переключаемым коэффициентом деления частоты на семь или восемь может быть выполнен, например, по типу высокочастотного делителя частоты с управляемыми внешним потенциальным сигналом обратными связями аналогично схеме, описанной в [12, с. 3-48, фиг. 2] и реализуемой на стандартной микросхеме типа SP8743B.
Работу заявляемого устройства рассмотрим на примере приема и преобразования сигналов СРНС "GPS" и "Глонасс", промодулированных кодами стандартной точности в диапазоне L1, для случая, когда сигналами СРНС "Глонасс" являются сигналы с литерными частотами от i = 0 до i = 12 или от i = -7 до i = 4.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Принятые входной антенной (на фиг.3 не показана) сигналы СРНС "GPS" и "Глонасс" частотного диапазона L1 поступают на вход входного блока 1.
Сигналы СРНС "GPS" диапазона L1 занимают частотные полосы шириной ΔF = 8,184 МГц (по четыре лепестка в спектре сигнала в обе стороны от несущей), а сигналы СРНС "Глонасс" диапазона L1 занимают частотные полосы шириной ΔF = 10,838 МГц (случай литерных частот от i = 0 до i = 12) и ΔF = 10,2755 МГц (случай литерных частот от i = - 7 до i = 4). Положение частотных полос, занимаемых на оси частот сигналами СРНС "GPS" и "Глонасс", в рассматриваемом случае показано пунктиром на фиг. 1, где фиг. 1а - полоса частот сигналов СРНС "GPS" диапазона L1 - (1571,328 -1579,512) МГц, фиг. 1б - полоса частот сигналов СРНС "Глонасс" диапазона L1 для случая литерных частот от i = 0 да i = 12 - (1599,956 - 1610, 794) МГц, фиг. 1в - полоса частот сигналов СРНС "Глонасс" диапазона L1 для случая литерных частот от i = -7 до i = 4 - (1596,0185 - 1606, 294) МГц.
Входной блок 1 пропускает на свой выход сигналы СРНС "GPS" и "Глонасс" диапазона L1 указанных частотных полос (то есть от 1571, 328 МГЦ до 1610, 794 МГц).
Сигналы, поступающие с выхода блока 1, усиливаются в малошумящем входном усилителе 3 блока 2 первого преобразования частоты сигналов, преобразуются в смесителе 4 и усиливаются в усилителе промежуточной частоты 5.
Для первого преобразования частоты, осуществляемого в блоке 2 заявляемого устройства, используется сигнал первой гетеродинной частоты fг1= 1414 МГц, синтезируемый формирователем 8.
В результате первого преобразования частоты положение частотных полос, занимаемых сигналами СРНС "GPS" и "Глонасс", на оси частот изменяется как показано на фиг. 4, где фиг. 4а - расположение частотных полос сигналов СРНС "GPS" диапазона L1 - (157,328 - 165,512) МГц, фиг. 4б - расположение частотных полос сигналов СРНС "Глонасс" диапазона L1 для случая литерных частот от i = 0 до i = 12 - (185,956 - 196,794) МГц, фиг. 4в - расположение частотных полос сигналов СРНС "Глонасс" диапазона L1 для случая литерных частот от i = -7 до i = 4 - (182,0185 - 192,294) МГц.
С выхода усилителя 5 промежуточной частоты преобразованные сигналы СРНС "GPS" и "Глонасс" диапазона L1 поступают на входы фильтров 10, 14 первого 6 и второго 7 каналов второго преобразования частоты сигналов. Фильтры 10, 14 осуществляют полосовую фильтрацию сигналов от внеполосных помех.
Фильтр 10 первого канала 6 (то есть канала сигналов СРНС "GPS") реализует характеристику полосового фильтра с полосой 8,184 МГц и центральной частотой 161,42 МГц.
Фильтр 14 второго канала 7 (то есть канала сигналов СРНС "Глонасс") реализует характеристику полосового фильтра с полосой, определяемой как 196,794 - 182,0185 = 14,7755 МГц и центральной частотой 189,4 МГц. Фильтр 14 пропускает сигналы СРНС "Глонасс" с литерными частотами от i = -7 до i = 12.
Отфильтрованные от внеполосных помех преобразованные по частоте сигналы СРНС "GPS" диапазона L1 (фиг. 4а) с выхода фильтра 10 поступают на сигнальный вход смесителя 11, где осуществляется второе преобразование частоты сигналов СРНС "GPS".
Отфильтрованные от внеполосных помех преобразованные по частоте сигналы СРНС "Глонасс" диапазона L1 (фиг. 4б,в) с выхода фильтра 14 поступают на сигнальный вход смесителя 15, где осуществляется второе преобразование частоты сигналов СРНС "Глонасс".
В качестве гетеродинного сигнала для осуществления второго преобразования частоты сигналов СРНС "GPS" используется сигнал второй гетеродинной частоты fг2= 1/8·fг1 = 176,75МГц (фиг. 4а), формируемый в заявляемом устройстве из сигнала первой гетеродинной частоты с помощью блока деления частоты 18 с постоянным коэффициентом деления на восемь.
В качестве гетеродинного сигнала для осуществления второго преобразования частоты сигналов СРНС "Глонасс" используется сигнал третьей гетеродинной частоты, а именно сигнал частоты fг3 = 1/8·fг1= 176,75 МГц (фиг. 4б) для случая литерных частот от i = 0 до i = 12 или сигнал частоты fг3 = 1/7·fг1= 202 МГц (фиг. 4в) для случая литерных частот от i = - 7 до i = 4.
Сигнал третьей гетеродинной частоты формируется в заявляемом устройстве из сигнала первой гетеродинной частоты с помощью блока деления частоты 19 с переменным коэффициентом деления частоты на семь или восемь, при этом нужный коэффициент деления в блоке 19 устанавливается в результате подачи на его управляющий вход (то есть на управляющий вход устройства) управляющего сигнала - потенциального логического сигнала "0" или "1".
В результате второго преобразования частоты положение частотных полос, занимаемых сигналами СРНС "GPS" и "Глонасс", на оси частот изменяется как показано на фиг. 5, где фиг. 5а - частотные полосы сигналов СРНС "GPS" диапазона L1 - (11,238 -(19,422) МГц, фиг. 5б - частотные полосы сигналов СРНС "Глонасс" диапазона L1 c литерными частотами от i = 0 до i = 12- (9,206 - 20,044) МГц, фиг. 5в - частотные полосы сигналов СРНС "Глонасс" диапазона L1 c литерными частотами от i = -7 до i = 4 - (19,9815 - 9,706) МГц.
Преобразованные с помощью смесителей 11 и 15 сигналы СРНС "GPS" и "Глонасс" диапазона L1 в каждом из каналов 6 и 7 второго преобразования частоты сигналов фильтруются соответствующими полосовыми фильтрами 12 и 16, частоты пропускания которых лежат в диапазоне частот 10 - 20 МГц ΔF = 10 МГц).
Отфильтрованные фильтрами 12 и 16 сигналы СРНС "GPS" и "Глонасс" далее преобразуются в цифровую форму с помощью АЦП 13 и 17.
Тактовая частота, определяющая частоту аналого-цифрового преобразования (т. е. частоту дискретизации по времени), в заявляемом устройстве выбирается в диапазоне 20 МГц, который установлен исходя из рекомендаций [11, с. 15-17] с учетом того, что полосы сигналов, преобразуемых в цифровую форму, не превышают 10 МГц на выходе фильтров 12 и 16 (фиг. 5а,б,в).
С выходов АЦП 13 и 17 преобразованные по частоте и представленные в цифровом коде сигналы СРНС "GPS" и "Глонасс" диапазона L1 поступают соответственно на первый и второй выходы устройства.
Выходные сигналы устройства обрабатываются в "узких" корреляторах, а затем - в цифровом навигационном процессоре для получения навигационной информации (на фиг. 3 не показаны).
Предыдущее рассмотрение работы устройства проводилось в предположении, что его тракт обеспечивает возможность прохождения сигналов СРНС "GPS" и "Глонасс" с учетом ширины спектра, определяемого по четвертым нулям (четыре лепестка спектра в обе стороны от несущей).
Очевидно однако, что для сигналов СРНС "Глонасс" литерной частоты i = 0 и частично для i = 1 (фиг. 5б) граница определенного таким образом спектра - 9,206 МГц - выходит за полосу, ограниченную частотной точкой 10 МГц (начало полосы пропускания фильтра 16), примерно на 0,8 МГц, а для i = 4 граница спектра - 9,706 МГц выходит за полосу, ограниченную частотной точкой 10 МГц, примерно на 0,3 МГц. Однако, при определенной модификации "узких" корреляторов, потери информации при последующей корреляционной обработке исключаются. Действительно, полосу частот, расположенную от 10 до 20 МГц, можно обработать без потерь информации в результате дискретизации по времени в АЦП с тактовой частотой 20 МГц. При этом, ограничиваясь для корреляционной обработки двумя (вместо четырех) лепестками в спектре сигналов СРНС "Глонасс" на литерной частоте i = 0. можно показать, что граница спектра перемещается вправо по частотной оси на 2·0,511 МГц и составляет 9,206 + 2·0,511 = 10,228 МГц. В этом случае весь обрабатываемый спектр сигнала лежит в частотном окне (10 - 20) МГц. Аналогично, для сигналов СРНС "Глонасс" литерной частоты i = 4, если ограничиваться тремя лепестками спектра при корреляционной обработке, то нижняя граница обрабатываемого частотного диапазона составит 9,706 + 0,511 = 10,217 МГц, что также лежит в частотном окне (10 - 20) МГц. Аналогично и для сигналов СРНС "Глонасс" литерной частоты i = 1 при корреляционной обработке следует ограничиваться тремя лепестками спектра.
Таким образом для сигналов СРНС "Глонасс" указанных литерных частот следует использовать "узкие" корреляторы с уменьшенным количеством лепестков в спектре обрабатываемого сигнала. Сигналы СРНС "Глонасс" всех остальных литерных частот, а также все сигналы СРНС "GPS" могут без ограничения обрабатываться в "узком" корреляторе с четырьмя лепестками в спектре сигнала в обе стороны от несущей. Такое решение, основанное на использовании указанных модификаций "узких" корреляторов для обработки сигналов СРНС "Глонасс" указанных литерных частотах, существенно упрощает заявляемое устройство и не приводит к потерям информации при последующей обработке.
Таким образом в заявляемом устройстве решается поставленная техническая задача - осуществляется одновременный прием и преобразование сигналов СРНС "GPS" и "Глонасс" с литерными частотами от i = -7 до i = 4 или от i = 0 до i = 12 при использовании одного синтезатора частоты (а не трех как в прототипе) для формирования сигналов гетеродинных частот. Такое упрощение гетеродинного оборудования позволяет уменьшить габариты и упростить реализацию заявляемого приемного устройства в целом. Указанная положительная особенность заявляемого устройства наряду с другой особенностью - обеспечением возможности приема сигналов с расширенным диапазоном литерных частот, а именно от i = -7 до i = 4 или от i = 0 до i = 12 (осуществляемой за счет переключения коэффициента деления делителя частоты 19, вырабатывающего гетеродинный сигнал для второго преобразования частоты сигналов СРНС "Глонасс"), обуславливают перспективы заявляемого устройства по использованию в составе современного бортового радионавигационного оборудования и малогабаритного переносного оборудования, например, портативных (карманных) приемоиндикаторов.
Из рассмотренного видно, что заявляемое изобретение осуществимо, промышленно применимо, решает поставленную техническую задачу и имеет перспективы по использованию в составе навигационной аппаратуры потребителей СРНС, работающей одновременно по сигналам двух СРНС "GPS" и "Глонасс".
Источники информации
1. Кудрявцев И.В. Мищенко И.Н., Волынкин А.И., и др. Бортовые устройства спутниковой радионавигации -М.: Транспорт, 1988.
2. Шебшаевич В.С., Дмитриев П.П., Иванцевич Н.В. и др. Сетевые спутниковые радионавигационные системы. -М.: Радио и связь, 1993.
3. Глобальная навигационная спутниковая система. Интерфейсный контрольный документ (третья редакция). -М.: Координационный научно-информационный центр ВКС МО РФ, 1995.
4. A.J.Van Dierendonck, Pat Fenton, Tom Ford "Theory and Performance of Narrow Correlator Spacing in a GPS Receiver". / Navigation: Journal of The Institute of Navigation. Vol. 39, N 3, Fall 1992.
5. Global Positioning System (GPS) Receiver RF Front End. Analog-Digitl Converter. Rockwell International Proprietary Information Order Number. May 31, 1995.
6. Riley S., Howard N., Aardoom E., Daly P., Silvestrin P. "A Combined GPS/GLONASS High Precision Receiver for Spase Applications" / Proc. of ION GPS-95, Palm Springs, CA, US, Sept. 12-15, 1995, p. 835-844.
7. Moses I. Navstar Global Positioning System oscillator requirements for the GPS Manpack. Proc. of the 30th Annual Frequency Control Sympos., 1976, pp.390-400.
8. Гассанов Л.Г., Липатов А.А., Марков В.В., Могильченко Н.А. Твердотельные устройства СВЧ в технике связи. -М.: Радио и связь, 1988.
9. Банков В.Н., Барулин Л.Г., Жодзишский М.И. и др. Радиоприемные устройства. -М.: Радио и связь, 1984.
10. Маттей Д.Л., Янг Л., Дэпонс Е.М.Т. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи. -М.: Связь, 1971.
11. Жодзинский М.И., Мазепа Р.Б., Овсянников Е.П. и др. Цифровые радиоприемные системы. Справочник. -М.: Радио и связь, 1990.
12. Professional Products IC Handbook May 1991. GEC Plessey Semiconductors.
Формула изобретения: Устройство для приема сигналов спутниковых радионавигационных систем, содержащее входной блок, вход которого является сигнальным входом устройства, блок первого преобразования частоты сигналов, первый и второй каналы второго преобразования частоты сигналов, выходы которых являются первым и вторым выходами устройства для приема сигналов спутниковых радионавигационных систем "GPS" и "Глонасс" соответственно, а также формирователь сигнала первой гетеродинной частоты и формирователь сигнала тактовой частоты, при этом блок первого преобразования частоты сигналов содержит последовательно соединенные входной усилитель, вход которого соединен с выходом входного блока, смеситель, опорный вход которого соединен с выходом формирователя сигнала первой гетеродинной частоты, и усилитель промежуточной частоты, выход которого подключен к входам первого и второго каналов второго преобразования частоты сигналов, каждый из которых содержит последовательно соединенные первый фильтр, вход которого является входом канала, смеситель, второй фильтр и аналого-цифровой преобразователь, выход которого является выходом канала, а тактовый вход соединен с выходом формирователя сигнала тактовой частоты, отличающееся тем, что в устройство дополнительно введены блок деления частоты с постоянным коэффициентом деления частоты на восемь и блок деления частоты с переключаемым коэффициентом деления частоты на семь или восемь, сигнальные входы которых подключены к выходу формирователя сигнала первой гетеродинной частоты, при этом опорный вход смесителя первого канала второго преобразования частоты сигналов подключен к выходу блока деления частоты с постоянным коэффициентом деления частоты на восемь, а опорный вход смесителя второго канала второго преобразования частоты сигналов подключен к выходу блока деления частоты с переключаемым коэффициентом деления частоты на семь или восемь, управляющий вход которого, осуществляющий перестройку устройства в условиях изменения литерных частот, является управляющим входом устройства.