ПРИЕМНИК СПУТНИКОВОЙ НАВИГАЦИИ Российский патент 1994 года по МПК G01S1/30 

Изобретение относится к радионавигации, а именно к определению местоположения объектов с помощью приемника спутниковой навигации (ПСН) среднеорбитальных сетевых спутниковых радионавигационных систем (ССРНС).

Известны ПСН, использующие для определения местоположения сигналы одной из двух ССРНС и содержащие антенну, антенный блок, канал слежения за несущей и кодом, опорный генератор, синтезатор гетеродинных частот и частот кода, управляющую и навигационную ЭВМ, блок интерфейсов, а также блок управления и индикации.

Однако, автономные ПСН такого типа в ряде случаев не обладают достаточной точностью местоопределения и непрерывностью определения координат и скорости объектов.

Известно совмещенное использование двух ПСН каждый из которых содержит свою антенну, свой антенный блок, блок обработки, опорный генератор, синтезатор и ЭВМ.

Однако, такое комбинирование, снижая в определенной степени дискретность местоопределения, не позволяет использовать другие преимущества совмещенного ПСН.

Следующим шагом в создании совмещенных ПСН является совместное использование функционально сходных блоков для сокращения объема аппаратуры и соответственно снижению ее стоимости. Известные совмещенные ПСН такого типа содержат лишь одну (общую) антенну, один опорный генератор и одну управляющую ЭВМ. Навигационные ЭВМ с блоками индикации и управления в таких ПСН также совмещены и используют данные и информацию как от ССРНС ГЛОНАСС, так и от системы НАВСТАР.

Так, известный совмещенный ПСН систем НАВСТАР и ГЛОНАСС, содержит одну антенну, один антенный блок, один опорный генератор, блок опорных частот, генератор кодов, синтезаторы гетеродинных и тактовых частот, управляющую и навигационную ЭВМ, блок интерфейса, блок управления и индикации, а обработка сигналов двух ССРНС осуществляется в двух отдельных блоках аналогово-цифровой обработки (индивидуально для сигналов каждой из двух систем). При этом выход антенны через антенный блок подключен к информационным входам блока обработки НАВСТАР и блока обработки ГЛОНАСС, вход блока опорных частот и синтезатор подключены к выходу опорного генератора, выходы блока опорных частот и синтезатора подключены к сигнальным входам обоих блоков обработки, выход и управляющие входы блоков обработки через переключатель, каналы слежения и блок интерфейсов подключены к управляющей и навигационной ЭВМ, подключенной также к блоку управления и индикации.

Такое построение совмещенного ПСН ГЛОНАСС-НАВСТАР, однако, не реализует потенциальных возможностей комплексного приемника двух систем, поскольку их информация обрабатывается в разных каналах. Структура известного ПСН хотя и позволяет сократить объем аппаратуры, однако ее состав остается еще достаточно сложным и составляет 110% от состава автономного ПСН одной ССРНС (несмотря на использование совместных блоков для обеих систем). Это является причиной недостаточной надежности работы ПСН и неудовлетворения основного требования оптимизации навигационных измерений достижения максимально возможной точности и надежности местоопределения при минимуме сложности и стоимости.

В основу изобретения положена техническая задача: создать приемник спутниковой навигации, который обеспечил бы наиболее полную оптимизацию процессов навигационных измерений и процессов обработки навигационной информации двух ССРНС ГЛОНАСС и НАВСТАР, позволяющую достичь максимальной точности и надежности местоопределения при минимальных сложности и стоимости аппаратурной реализации.

Реализация предложенного совмещенного ПСН ГЛОНАСС-НАВСТАР позволяет достичь следующего технического результата: сократить объем аппаратуры на 15-20% по сравнению с прототипом, повысить технологичность и надежность ПСН. Основной технический результат будет выражаться в повышении точности и надежности местоопределения вследствие устранения погрешностей при обработке информации в различных каналах. Повышение точности и надежности местоопределения, компактность аппаратурной реализации при снижении ее сложности и стоимости обеспечиваются новым синергетическим эффектом, поскольку показатели качества предложенного ПСН (включая точность, надежность, минимальный состав аппаратуры и технологичность) выше суммы показателей прототипа 6.

Сущность изобретения заключается в том, что ПСН содержит один блок аналого-цифровой обработки для обеих систем ГЛОНАС и НАВСТАР с соответствующими связями между функциональными блоками ПСН, что позволяет обеспечить наиболее полную оптимизацию обработки измерений: повысить точность и надежность местоопределения при компактности, упрощении и, соответственно, снижении стоимости аппаратурной реализации.

Технический результат достигается за счет того, что в приемнике спутниковой навигации, содержащем антенну, антенный блок, блок аналого-цифровой обработки, синтезатор гетеродинных частот, генератор кодов, синтезатор тактовых частот кодов, блок опорных частот, опорный генератор, управляющую ЭВМ, блок интерфейсов, навигационную ЭВМ, блок ввода данных и блок индикации, блок аналого-цифровой обработки содержит аналоговый и цифровой блоки, что обусловливает возникновение новых связей между функциональными элементами ПСН. Наряду со связями функциональных элементов, известными в аналогах и прототипе: выход антенны и выход блока опорных частот соединены соответственно с первым и вторым входами антенного блока, вход блока опорных частот подключен к выходу опорного генератора, выходы блока опорных частот подключены к сигнальному входу блока аналого-цифровой обработки, к сигнальному входу синтезатора, гетеродинных частот, к первому сигнальному входу генератора кодов и сигнальному входу синтезатора тактовых частот кодов, выход синтезатора тактовых частот кодов подключен к второму сигнальному входу генератора кодов, управляющий выход блока управления подключен к управляющим входам синтезатора гетеродинных частот, генератора кодов и синтезатора тактовых частот кодов, информационный выход блока управления через блок интерфейсов подключен к навигационному блоку, к выходу которой подключен блок индикации, а к входу - блок ввода данных, введены новые связи, обусловленные новой структурой ПСН: первый вход блока аналого-цифровой обработки соединен с выходом антенного блока, второй, третий, четвертый и пятый входы блока аналого-цифровой обработки соединены соответственно с выходами синтезатора гетеродинных частот, синтезатора тактовых частот кода, генератора кодов и блока опорных частот, шестой и седьмой входы блока аналого-цифровой обработки соединены со считывающими выходами блока управления информационный выход блока аналого-цифровой обработки через блок управления и блок интерфейсов соединен с входом навигационного блока, первый и второй выходы аналогового блока соединены соответственно с первым и вторым входами цифрового блока. При этом первый, второй, третий и четвертый входы блока аналого-цифровой обработки являются соответственно первым, вторым, третьим и четвертым входами аналогового блока, пятый, шестой и седьмой входы блока аналого-цифровой обработки являются соответственно третьим, четвертым и пятым входами цифрового блока, а выход цифрового блока является информационным выходом блока аналого-цифровой обработки.

Существенными, отличительными от аналогов и прототипа, признаками являются аналоговый и цифровой блоки аналого-цифрового блока с их соответствующими новыми связями с другими функциональными элементами приемника спутниковой навигации.

Аналоговый блок содержит усилитель высокой частоты (УВЧ), первый, второй, третий и четвертый корреляторы, первый и второй усилители промежуточной частоты (УПЧ), первый и второй полосовые фильтры (ПФ), первый и второй пороговые элементы (ПЭ), при этом выход УВЧ соединен с первым входом первого коррелятора, выход первого коррелятора соединен с первыми входами второго и третьего корреляторов, к выходу второго коррелятора подключены последовательно соединенные первый УПЧ, первый ПФ и первый ПЭ, выход третьего коррелятора соединен с первым входом четвертого коррелятора, к выходу четвертого коррелятора подключены последовательно соединенные второй УПЧ, второй ПФ и второй ПЭ. Вход УВЧ является первым входом аналогового блока, вторые входы второго и четвертого корреляторов объединены и являются вторым входом аналогового блока, вторые входы третьего и первого корреляторов являются соответственно третьим и четвертым входами аналогового блока, а выходы первого и второго ПЭ являются соответственно первым и вторым выходами аналогового блока.

Цифровой блок содержит первый, второй и третий фазовые детекторы (ФД), первый, второй и третий дискретизаторы фазы (ДФ), первый, второй и третий цифровые интеграторы (ЦИ), первый и второй буферные регистры (БР). В цифровом блоке первые входы первого, второго и третьего ФД объединены и являются первым входом цифрового блока, второй вход третьего ФД является вторым входом цифрового блока, вторые входы первого и второго ФД соединены с третьим входом цифрового блока, выходы первого, второго и третьего ФД соединены соответственно с первыми входами первого, второго и третьего ДФ, вторые входы первого, второго и третьего ДФ объединены и соединены с третьим входом цифрового блока, выходы первого, второго и третьего ДФ соединены соответственно с первыми входами первого, второго и третьего ЦИ, вторые входы первого, второго и третьего ЦИ объединены и соединены с третьим входом цифрового блока, первый и второй входы первого БР подключены соответственно к выходам первого и второго ЦИ, первый вход второго БР подключен к выходу третьего ЦИ, третий вход первого БР и второй вход второго БР объединены и соединены с четвертым входом цифрового блока, считывающие входы первого и второго буферных регистров являются соответственно четвертым и пятым входами цифрового блока, а информационные выходы первого и второго БР объединены и являются выходом цифрового блока.

На фиг. 1 представлена структурная электрическая схема предлагаемого приемника; на фиг. 2 - структурная схема блока аналого-цифровой обработки; на фиг. 3 - структурная электрическая схема аналогового блока; на фиг. 4 - структурная электрическая схема цифрового блока; на фиг. 5 - вариант выполнения синтезатора гетеродинных частот; на фиг. 6 - вариант выполнения синтезатора тактовых частот кодов и генератора кодов; на фиг. 7 - вариант выполнения антенного блока; на фиг. 8 - вариант выполнения блока опорных частот.

Приемник спутниковой навигации содержит антенну 1, антенный блок 2, блок 3 аналого-цифровой обработки, синтезатор 4 гетеродинных частот, генератор 5 кодов, синтезатор 6 тактовых частот кодов, блок 7 опорных частот, опорный генератор 8, блок 9 управления, блок 10 интерфейсов, навигационный блок 11, блок 12 ввода данных, блок 13 индикации.

Блок 3 аналого-цифровой обработки содержит аналоговый блок 14 и цифровой блок 15.

Аналоговый блок 14 содержит усилитель 16 высокой частоты, первый, второй, третий и четвертый корреляторы 17 и 18, 22, 23, первый и второй усилители 19 и 24 промежуточной частоты, первый и второй полосовые фильтры 20 и 25, первый и второй пороговые элементы 21 и 26.

Цифровой блок 15 содержит первый, второй и третий фазовые детекторы 27, 30 и 34, первый, второй и третий дискретизаторы 28, 31, 35 фазы, первый, второй и третий цифровые интеграторы 29, 32 и 36, первый и второй буферные регистры 33 и 37.

Синтезатор 4 гетеродинных частот содержит генераторы 41 и 50, управляемые напряжением, ключ 38, частотно-фазовые детекторы 39 и 48, цепи 40 и 51 фильтрации и коррекции, регистр 42 частоты, цифровой управляемый генератор 43, поглотитель 44 импульсов, регистр 45 диапазона, делитель 46 с переменным коэффициентом деления, делители 47 и 49 частоты.

Синтезатор 6 тактовых частот кода содержит накапливающий сумматор 52 и блок 53 фазовой автоподстройки частоты. Генератор 5 кодов содержит формирователь 54, регистр 55 номера спутника, переключатель 56, буферный регистр 57 фазы С/А кода, счетчик 58 периодов тактовой частоты кодов и ПЗУ 59.

Антенный блок 2 содержит развязывающие фильтры 60 и 65, режекторный фильтр 61, усилители СВЧ 62 и 70, смеситель 63, фильтр нижних частот, усилитель 64, полосовые фильтры 66 и 69, буферное устройство 67 и перемножитель частоты 68.

Приемник спутниковой навигации работает следующим образом.

Антенна 1 принимает сигналы ССРНС НАВСТАР и ГЛОНАСС, которые поступая в антенный блок 2, преобразуются в сигналы промежуточной частоты. Сигнал промежуточной частоты от антенного блока 2 поступает на первый вход блока 3 аналого-цифровой обработки, который осуществляет слежение за несущей сигналов (канал Σ) и слежение за их задержкой (канал Δ) в аналоговом блоке 14 и квадратурную обработку сигналов в цифровом блоке 15. Сигнал промежуточной частоты с выхода антенного блока 2 поступает на вход УВЧ 16 аналогового блока 14, в котором он нормируется по амплитуде. С выхода УВЧ 16 сигнал поступает на первый вход первого коррелятора 17, на второй вход которого с выхода генератора 5 кодов поступает видеосигнал, соответствующий С/А коду ССРНС. При совпадении принимаемого и местного С/А кодов на выходе коррелятора 17 появляется пик автокорреляционной функции в виде фазоманипулированного данными сигнала промежуточной частоты. С выхода первого коррелятора 17 сигнал поступает на первые входы второго и третьего корреляторов 18 и 22. Второй коррелятор 18 выполняет функцию смесителя, на второй вход которого поступает гетеродинный сигнал с выхода синтезатора 4 гетеродинных частот. На выходе коррелятора 18 выделяется сигнал разностной частоты, который дополнительно усиливается в УПЧ 19 и фильтруется полосовым фильтром 20. Усиленный и отфильтрованный сигнал с помощью порогового элемента 21 приводится к бинарно-квантованному виду, соответствующему уровням ТТL-логики. Блоки 16-21 составляют канал слежения за несущей аналогового блока 14. Канал слежения за задержкой, состоящий из блоков 22-26, работает аналогично каналу слежения за несущей, причем на первый вход коррелятора 22 поступает сигнал с выхода коррелятора 17, на второй вход коррелятора 22 поступает меандр с выхода синтезатора 6 тактовых частот кодов, по фазе соответствующих тактовой частоте С/А кода, а сигнал на выходе коррелятора 22 соответствует фазовой ошибке принимаемого и местного С/А кодов. Аналоговые сигналы Σ и Δ с выходов аналогового блока 14 поступают соответственно на первый и второй входы цифрового блока 15, где преобразуются в цифровую форму. Каналы цифрового блока 15, содержащие блоки 27-29 и 30-32, образуют дискриминатор по фазе несущей, а канал, содержащий блоки 34-36, - дискриминатор по задержке С/А кода, фазовые детекторы 27 и 30 вырабатывают фазовую ошибку между сигналами, поступающими на два их входа. На первые входы фазовых детекторов 27 и 30 поступает сигнал канала слежения за несущей аналогового блока 14, на вторые входы - сигналы соответствующей промежуточной частоты с выхода блока 7 опорных частот, сдвинутые по фазе на π/2. Дискретизаторы 28, 31 и 35 фазы измеряют фазу опорного сигнала, соответствующую его длительности, который поступает с выхода блока 7 опорных частот на третий вход цифрового блока 15 и на вторые входы ДФ 28, 31 и 35. С выходов ДФ 28, 31 и 35 пачки импульсов поступают соответственно на первые входы цифровых интеграторов 29, 32 и 36, на вторые входы которых подается сигнал сброса LOAD TTL после сигнала записи WR, поступающего на буферные регистры 33 и 37. Сигналы записи WR и сброса LOAD вырабатываются блоком 7 опорных частот и поступают на третий вход цифрового блока 15, Цифровые интеграторы 29, 32 и 36 выполняют функции счетчиков со сбросом по сигналу LOAD, с выходов которых информация запоминается в буферных регистрах 33 и 37. Считывание содержимого БР 33 и 37 осуществляется по команде записи WR, поступающей на третий вход первого БР 33 и на второй вход второго БР 37. С информационных выходов БР 33 и БР 37 данные поступают на вход блока 9 управления.

Таким образом, в блоке 3 производится обработка сигналов ССРНС ГЛОНАСС и НАВСТАР в каналах слежения за несущей и слежения за задержкой. После сигнала сброса LOAD и считывания данных с выходов БР 33 и 37 в блок 9 управления процесс выработки поправок по несущей и задержке (коду) повторяется.

Синтезатор 4 гетеродинных частот выполняет две основные функции: выработку частоты выбранного навигационного ИСЗ и отслеживание доплеровской частоты под управлением блока 9 управления по команде с навигационного блока 11 в соответствии с информацией, заложенной в блок 12 ввода данных. Отличие от известных синтезаторов заключается в том, что выработка гетеродинных частот осуществляется для всего набора частот ССРНС ГЛОНАСС и НАВСТАР. Синтезатор 4 содержит цифровой управляемый генератор 43, код частоты которого содержится в регистре 42 частоты, и основную петлю фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), включающей генератор 41, управляемый напряжением, поглотитель 44 импульсов, делитель 46 с переменным коэффициентом деления, ключ 38, частотно-фазовый детектор 39, цепь 40 фильтрации и коррекции. Блоки 47-51 (делитель 47 частоты, частотно-фазовый детектор 48, делитель 49 частоты, генератор 50, управляемый напряжением, цепь 51 фильтрации и коррекции) образуют дополнительную петлю ФАПЧ. Код, соответствующий доплеровской частоте, загружается в регистр 42 частоты, а код, соответствующий навигационному ИСЗ, - в регистр 45 диапазона. Цифровой управляемый генератор 43 начинает генерировать частоту, соответствующую загруженной в регистр 42, а основная петля ФАПЧ переносит ее вверх на частоту, соответствующую гетеродинной частоте, подаваемой на вход блока 3. Дополнительная петля ФАПЧ из блоков 47-51 формирует спектр сигнала в основной ФАПЧ между поглотителем 44 импульсов и делителем 46 с переменным коэффициентом деления.

Синтезатор 6 тактовой частоты кодов по командному сигналу блока 9 управления вырабатывает тактовую частоту для блока генератора кода.

Генератор 5 кодов вырабатывает коды для ССРНС НАВСТАР и ГЛОНАСС.

Управление работой синтезаторов 4 и 6 и генератором кодов осуществляется блоком управления 9. Блок 9 управления в соответствии с требованиями к решению навигационной задачи программно реализует следующие алгоритмы: сбор информации с блока 3 аналого-цифровой обработки; вычисление доплеровских сдвигов частоты и задержки кода; выработку управляющих кодов для блоков 4-6; связь с навигационным блоком 11 через блок интерфейсов 10 посредством соответствующего протокола обмена.

Навигационный блок 11 в соответствии с сигналами блока 12 ввода данных вырабатывает команды для блока 9 управления, а также решение навигационной задачи, результаты которой отображаются в блоке 13 индикации.

Возможность практического осуществления устройства подтверждена испытаниями макета ПСН "СНОП", разработанного в научно-инженерном центре "ИНФОМИР" в 1992 г. При сокращении объема аппаратуры по сравнению с прототипом на 15-20% и аналогичном снижении стоимости инструментальная погрешность навигационных измерений вследствие обработки сигналов двух ССРНС в одном едином блоке аналого-цифровой обработки снижена на 25-35% . Таким образом, подтверждена возможность осуществления изобретения и способность обеспечения достижения технического результата.

(56) Богданов В. А. , Сорочинский В. А. и Якшевич Е. В. Спутниковые системы морской навигации. М. : Транспорт, 1987, с. 180-182.

Glonass and GPS: Prospects for a partnership-GPS World, 1991, v, 2, N 4, р. 36-40, fig 2.

Использование: радионавигация, определение местоположения объектов с помощью приемника спутниковой навигации среднеорбитальных сетевых спутниковых радионавигационных систем. Сущность изобретения: приемник спутниковой навигации содержит одну антенну, антенный блок, блок аналого-цифровой обработки, синтезатор гетеродинных частот, генератор кодов, синтезатор тактовых частот кодов, блок опорных частот, опорный генератор, блок управления, блок интерфейсов, навигационный блок, блок ввода данных и блок индикации. 2 з. п. ф-лы, 8 ил.

1. ПРИЕМНИК СПУТНИКОВОЙ НАВИГАЦИИ, содержащий антенну, антенный блок, блок аналого-цифровой обработки, синтезатор гетеродинных частот, генератор кодов, синтезатор тактовых частот кодов, блок опорных частот, опорный генератор, а также блок управления, подключенный через блок интерфейсов к навигационному блоку, к входу которого подключен блок ввода данных, а к выходу - блок индикации, причем выход антенны и выход блока опорных частот соединены соответственно с первым и вторым входами антенного блока, вход опорных частот подключен к выходу опорного генератора, выходы блока опорных частот подключены к сигнальному входу блока аналого-цифровой обработки, к сигнальному входу синтезатора гетеродинных частот, к первому сигнальному входу генератора кодов и сигнальному входу синтезатора тактовых частот кодов, выход синтезатора тактовых частот кодов подключен к второму сигнальному входу генератора кодов, а управляющий выход блока управления подключен к управляющим входам синтезатора гетеродинных частот, генератора кодов и синтезатора тактовых частот кодов, отличающийся тем, что блок аналого-цифровой обработки содержит аналоговый и цифровой блоки, при этом первый вход блока аналого-цифровой обработки соединен с выходом антенного блока, второй - пятый входы блока аналого-цифровой обработки соединены соответственно с выходами синтезатора гетеродинных частот, синтезатора тактовых частот кода, генератора кодов и блока опорных частот, шестой и седьмой входы блока аналого-цифровой обработки соединены со считывающими выходами блока управления, информационный выход блока аналого-цифровой обработки через блок управления и блок интерфейсов соединен с входом блока навигации, первый и второй выходы аналогового блока соединены соответственно с первым и вторым входами цифрового блока, причем первый - четвертый входы блока аналого-цифровой обработки являются соответственно одноименными входами аналогового блока, пятый - седьмой входы блока аналого-цифровой обработки являются соответственно третьим - пятым входами цифрового блока, а выход цифрового блока является информационным выходом блока аналого-цифровой обработки. 2. Приемник по п. 1, отличающийся тем, что аналоговый блок содержит усилитель высокой частоты, первый - четвертый корреляторы, первый и второй усилители промежуточной частоты, первый и второй полосовые фильтры, первый и второй пороговые элементы, при этом выход усилителя высокой частоты соединен с первым входом первого коррелятора, выход первого коррелятора соединен с первыми входами второго и третьего корреляторов, к выходу второго коррелятора подключены последовательно соединенные первый усилитель промежуточной частоты, первый полосовой фильтр и первый пороговый элемент, выход третьего коррелятора соединен с первым входом четвертого коррелятора, к выходу четвертого коррелятора подключены последовательно соединенные второй усилитель промежуточной частоты, второй полосовой фильтр и второй пороговый элемент, причем вход усилителя высокой частоты является первым входом аналогового блока, вторые входы второго и четвертого корреляторов объединены и являются вторым входом аналогового блока, вторые входы третьего и первого корреляторов являются соответственно третьим и четвертым входами аналогового блока, а выходы первого и второго пороговых элементов являются соответственно первым и вторым выходами аналогового блока. 3. Приемник по п. 1, отличающийся тем, что цифровой блок содержит первый, второй и третий фазовые детекторы, первый, второй и третий дискретизаторы фазы, первый, второй и третий цифровые интеграторы, первый и второй буферные регистры, при этом первые входы первого, второго и третьего фазовых детекторов объединены и являются первым входом цифрового блока, второй вход третьего фазового детектора является вторым входом цифрового блока, вторые входы первого и второго фазовых детекторов соединены с третьим входом цифрового блока, выходы первого, второго и третьего фазовых детекторов соединены соответственно с первыми входами первого, второго и третьего дискретизаторов фазы, вторые входы первого, второго и третьего дискретизаторов фазы объединены и соединены с третьим входом цифрового блока, выходы первого, второго и третьего дискретизаторов фазы соединены соответственно с первыми входами первого, второго и третьего цифровых интеграторов, вторые входы первого, второго и третьего цифровых интеграторов объединены и соединены с третьим входом цифрового блока, первый и второй входы первого буферного регистра подключены соответственно к выходам первого и второго цифровых интеграторов, первый вход второго буферного регистра подключен к выходу третьего цифрового интегратора, третий вход первого буферного регистра и второй вход второго буферного регистра объединены и соединены с четвертым входом цифрового блока, считывающие входы первого и второго буферных регистров являются соответственно четвертым и пятым входами цифрового блока, а информационные выходы первого и второго буферных регистров объединены и являются выходами цифрового блока.