ПРИЕМНИК АППАРАТУРЫ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ СИГНАЛОВ ГЛОБАЛЬНЫХ СПУТНИКОВЫХ РАДИОНАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ Российский патент 1996 года по МПК G01S5/14 

Изобретение относится к области спутниковой радионавигации и может быть использовано в трактах первичной обработки информации приемоиндикаторов двух взаимно-рассинхронизованных глобальных спутниковых радионавигационных систем (СРНС).

Известен приемник, который содержит антенну, малошумящий усилитель (МШУ), фильтр первого зеркального канала (ФЗК 1), смеситель, умножитель частоты в n раз, фильтр, предварительный усилитель первой промежуточной частоты, фильтр второго зеркального канала (ФЗК 2), второй смеситель, второй умножитель частоты в m раз, на вход которого поступает сигнал с выхода синтезатора точной сетки частот, усилитель второй промежуточной частоты, охваченный цепью автоматической регулировки усиления (АРУ). Данное устройство может принимать одновременно сигналы только одной навигационной системы (системы типа "Глонасс" или системы типа Global Posifionung System глобальной системы местоопределения "Навстар"), что является серьезным недостатком, так как требуется дублирование аппаратуры приемника в случае приема сигналов космических аппаратов (КА) двух радионавигационных систем. Кроме того, использование двух умножителей частоты (соответственно в n и m раз) приводит к существенному увеличению уровня фазовых шумов приемного тракта, что снижает соотношение сигнал/шум на выходе устройства и, как следствие, точностные показатели вектора измерений всего приемоиндикатора.

Указанные недостатки частично устранены в мультиплексном приемнике фирмы Texas Instruments (США) [2] который включает в себя антенну, антенный усилитель, селектор частот f_s и f₂, преобразователь
частот L диапазона, генератор встроенного контроля частот f₁ и f₂, синтезатор частот, коррелятор и преобразователь частоты, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и устройство препроцессорной обработки. Следует отметить, что на структурной схеме приемника показаны и некоторые другие блоки, которые не являются составными частями собственно приемника, а реализуют функцию следящих измерителей и поэтому здесь рассматриваться не будут.

Достоинством данного устройства является возможность работы с космическими аппаратами системы GPS "Навстар" по коду общего применения (C/A - код) и высокоточному Р коду по частоте f₁ и f₂ (соответственно 1575,42 и 1227,6 МГц). Однако наличие мультиплексирования приводит к снижению соотношения сигнал/шум. Потери при этом составляют примерно 1,5 дБ на один канал.

Кроме того, приемник не может обеспечить одновременно прием и обработку сигналов двух спутниковых радионавигационных систем типа "Глонасс" и типа GPS "Навстар".

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является комбинированный приемник сигналов космических аппаратов GPS "Навстар"/"Глонасс", содержащий антенну, малошумящий усилитель, диплексор, разветвитель сигналов, опорный термостатированный генератор, четырехканальный приемный модуль системы "Глонасс", каждый из каналов которого содержит, в свою очередь, свой смеситель, усилитель промежуточной частоты и аналого-цифровой преобразователь.

Такое построение обусловлено тем, что каждый космический аппарат системы "Глонасс" излучает сигнал своей несущей частоте.

Устройство содержит также шестиканальный приемный модуль системы GPS "Навстар", который содержит смеситель, усилитель промежуточной частоты и аналого-цифровой преобразователь.

Достоинство комбинированного приемника заключается в возможности работы с сигналами двух спутниковых радионавигационных систем системы "Глонасс" и системы "Навстар". При этом обеспечивается непрерывность и достаточно высокая точность измерения вектора навигационных параметров приемоиндикаторами, в которых используется данный приемник.

Однако устройство-прототип имеет ряд существенных недостатков, так как возможность работы по сигналам космических аппаратов двух спутниковых радионавигационных систем достигается за счет двухканальной отдельной для каждой системы космических аппаратов приемной аппаратуры, что приводит к заметному усложнению и увеличению массо-габаритных показателей приемника.

Кроме того, применение в известном устройстве- прототипе в качестве аналого-цифрового преобразователя (АЦП) двустороннего предельного ограничителя с последующим преобразованием аналогцифра приводит к энергетическим потерям, равным 0,96 дБ, а также не позволяет компенсировать негауссовские помехи, которые имеют место, например, при установке аппаратуры потребителей (АП) на высокодинамических объектах (самолетах, вертолетах, подводных лодках и т.д.).

В заявляемом устройстве достигнута возможность решения следующих задач:
возможность одновременного приема и обработки сигналов космических аппаратов СРНС "Глонасс" и "Навстар", что позволяет производить высокоскоростную и высокоточную цифровую обработку сигналов КА в различных классах приемоиндикаторов СРНС,
повысить точностные показатели приемника за счет применения фильтров с линейными фазочастотными характеристиками в тракте обработки сигналов КА систем "Глонасс" и "Навстар",
расширить функциональные возможности заявляемого устройства за счет введения СВЧ-коммутатора, обеспечивающего работу по внутренней (встраиваемой в приемоиндикатор) и внешней (выносной) антеннам,
повысить помехоустойчивость приемника к негауссовым и импульсным помехам за счет применения адаптивного аналого-цифрового преобразователя.

Указанные преимущества заявляемого устройства перед прототипом достигаются за счет того, что в приемник аппаратуры потребителей сигналов глобальных спутниковых радионавигационных систем, содержащий антенну, малошумящий усилитель, смеситель, усилитель промежуточной частоты (УПЧ), опорный термостатированный генератор и аналого-цифровой преобразователь, выход которого является выходом приемника, дополнительно введены вторая антенна, первый и второй фильтры-преселекторы, второй и третий малошумящие усилители, СВЧ-коммутатор, амплитудный ограничитель, формирователь сетки опорных частот (ФСОЧ), фазовращатель, первый третий полосовые фильтры, второй смеситель, второй усилитель промежуточной частоты, первый и второй блоки автоматической регулировки усиления. Выход первой антенны соединен с входом первого фильтра-преселектора, выходом соединенного с входом первого малошумящего усилителя, выход которого подключен к первому входу СВЧ-коммутатора, второй вход которого соединен с выходом второго малошумящего усилителя. Вход второго МШУ подключен к выходу второго фильтра-преселектора, входом подключенного к выходу второй (внешней) антенны. Выход СВЧ-коммутатора соединен с входом амплитудного ограничителя, соединенного выходом с первым входом третьего малошумящего усилителя, выход которого подключен к входу первого полосового фильтра. Выход данного фильтра подсоединен одновременно к первым входам первого и второго смесителей, причем вход второго смесителя соединен с выходом фазовращателя, вход которого подключен одновременно к второму входу первого смесителя и первому выходу формирователя сетки опорных частот (ФСОЧ). Вход последнего подсоединен к выходу опорного термостатированного генератора, причем выход первого смесителя подключен к входу второго полосового фильтра, соединенного выходом с первым входом первого усилителя промежуточной частоты, прямой выход которого соединен одновременно с первым информационным входом аналого-цифрового преобразователя и первым блоком автоматической регулировки усиления (АРУ). Выход первого блока АРУ одновременно подсоединен к второму входу первого усилителя промежуточной частоты (УПЧ) и второму входу третьего малошумящего усилителя (МШУ), причем выход второго смесителя соединен с входом третьего полосового фильтра, соединенного, в свою очередь, выходом с первым входом второго УПЧ. Выход второго УПЧ одновременно соединен с вторым информационным входом аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и входом второго блока АРУ, выход которого подключен к второму входу второго УПЧ, при этом инверсный выход первого УПЧ соединен с третьим информационным входом АЦП, инверсный выход второго УПЧ подсоединен к четвертому информационному входу АЦП. Второй выход ФСОЧ подключен к входу управления АЦП.

На фиг. 1 представлена функциональная схема приемника аппаратуры потребителей сигналов глобальных спутниковых радионавигационных систем; на фиг.2 структурная схема формирователя сетки опорных частот; на фиг. 3 - функциональная схема делителя частоты, на фиг.4- вариант реализации узла аналого-цифрового преобразователя.

Согласно изобретению приемник аппаратуры потребителей сигналов глобальных спутниковых радионавигационных систем (фиг. 1) содержит антенну 1, выход которой подключен к входу широкополосного фильтра-преселектора 2, выходом соединенного с входом первого малошумящего усилителя 3, выходом соединенного с первым входом СВЧ-коммутатора 4. Второй вход СВЧ-коммутатора 4 подключен к выходу второго малошумящего усилителя 5, вход которого подсоединен к выходу второго широкополосного фильтра-преселектора 6, входом подключенного к выходу второй (выносной) антенны 7. Выход СВЧ-коммутатора 4 подсоединен к входу амплитудного ограничителя 8, выход которого соединен с первым входом третьего малошумящего усилителя 9, выходом соединенного с входом полосового фильтра 10, выход которого одновременно соединен с первыми входами смесителей 11 и 12. Второй вход смесителя 12 подключен к входу фазовращателя 13, вход которого одновременно соединен с вторым входом смесителя 11 и первым выходом формирователя 14 сетки опорных частот, входом соединенного с выходом опорного термостатированного генератора 15. Выход смесителя 11 подключен к входу полосового фильтра 16, выход которого подсоединен к первому входу усилителя 17 промежуточной частоты, прямой выход которого соединен одновременно с входом блока 18 автоматической регулировки усиления и первым информационным входом аналого-цифрового преобразователя 19. Выход смесителя 12 соединен с входом полосового фильтра 20, соединенного выходом с входом усилителя 21 промежуточной частоты, прямой выход которого подключен одновременно к второму информационному входу АЦП 19 и входу блока 22 автоматической регулировки усиления, выходом соединенного с вторым входом усилителя 21 промежуточной частоты. Инверсные выходы усилителей 17 и 21 промежуточной частоты подключены соответственно к третьему и четвертому информационным входам аналого-цифрового преобразователя 19, первый четвертый выходы которого являются выходами приемника. Второй выход формирователя 14 сетки опорных частот подключен к управляющему входу аналого-цифрового преобразователя 19.

Формирователь 14 сетки опорных частота (фиг.1,2) содержит импульсный фазовый детектор 23 и частотный детектор 24, первые входы которых объединены между собой и подключены к выходу опорного термостатированного генератора 15. Выходы блоков 23 и 24 соединены соответственно с первым и вторым входом сумматора 25, первый и второй выходы которого соединены соответственно с управляющими входами ключей 26 и 27. Вторые управляющие входы ключей 26 и 27 подключены соответственно к положительному потенциалу питающего напряжения и нулевому потенциалу. Выходы ключей 26 и 27 объединены между собой и соединены с входом фильтра 28 нижних частот, поддерживая таким образом стабильный выходной ток на входе фильтра 28 нижних частот. Выход ФНЧ 28 подключен к входу генератора 29, управляемого напряжением, выход которого соединен одновременно с блоками 11 и 13, а также с многоступенчатым делителем 30, первый выход которого одновременно подключен к вторым входам блоков 23 и 24, образуя тем самым кольцо фазовой автоподстройки частоты. Второй выход делителя 30 подключен к управляющему входу аналого-цифрового преобразователя 19.

Многоступенчатый делитель 30 частоты (фиг. 2 и 3) содержит Т-триггер 31, тактовый вход которого соединен с выходом генератора 29, управляемого напряжением, и является выходом многоступенчатого делителя 30 частоты. Выход Т-триггера 31 соединен с входом синхронизации счетчика-делителя 32 (N=72), выход которого подключен к вторым входам импульсного фазового детектора 23 и частотного детектора 24 соответственно. Кроме того, выход Т-триггера 31 подключен также к входу синхронизации счетчика-делителя 33 (N=8), выходом соединенного с входом управления аналого-цифрового преобразователя 19.

Аналого-цифровой преобразователь 19 (фиг. 1 и 4) включает компараторы 34, 35, 36 и 37, интеграторы 38 и 39, элементы ИЛИ 40 и 41. Первый вход компаратора 34 соединен с прямым выходом усилителя 17 промежуточной частоты, инверсный выход последнего подключен к первому входу компаратора 35. Выход компаратора 34 является первым выходом приемника (выход I₁), причем он соединен с первым входом элемента ИЛИ 40. Выход компаратора 35 является вторым выходом приемника (выход I₂), причем он соединен с вторым входом элемента ИЛИ 40. Выход элемента ИЛИ 40 подключен к входу интегратора 38, выход которого соединен одновременно с вторыми входами компараторов 34 и 35. Первый вход компаратора 36 подключен к инверсному выходу усилителя 21 промежуточной частоты, прямой выход блока 21 соединен с первым входом компаратора 37. Выход компаратора 36 является третьим выходом приемника (выход Q₁), причем он подключен к первому входу элемента ИЛИ 41. Выход компаратора 37 является четвертым выходом приемника (выход Q₂), одновременно он соединен с вторым входом элемента ИЛИ 41. Выход элемента ИЛИ 41 соединен с входом интегратора 39, выход которого подключен одновременно к вторым входам компараторов 36 и 37. Второй выход формирователя 14 сетки опорных частот соединен одновременно с третьими (управляющими) входами компараторов 34 37.

Устройство работает следующим образом. На вход антенны приемника поступают сигналы космических аппаратов спутниковых радионавигационных систем "Глонасс" и "Навстар" S_i(t), которые в общем случае имеют вид
(1)
где A(t) флуктуирующая в точке приема амплитуда сигнала КА;
Pi(t) псевдослучайная огибающая сигнала i-го КА0;
Di(t) навигационное сообщение i-го КА;
ω_i несущая частота i-го КА;
t текущее время;
Φ_i начальная фаза несущей i-го КА.

Амплитудно-частотная характеристика приемного тракта заявляемого устройства определяется спектрами частот принимаемых сигналов. Спектр частот сигналов системы КА GPS "Навстар" при работе по коду общего применения С/A составляет (1575,42 1) МГц, а спектр частот сигналов КА системы "Глонасс" при работе по кодам пониженной и высокой точности (соответственно ПТ и ВТ) составляет (1602 -1620,6) МГц. Это означает, что общая полоса частот принимаемых сигналов равна 1574,42≅Δf≅1620,6 МГц,, т.е. занимаемая полоса частот Δf f составляет примерно 50 МГц.

С выхода антенны 1, которая встроена непосредственно в аппаратуру потребителей, сигнал поступает на вход широкополосного фильтра-преселектора 2, который служит для ограничения полосы частот принимаемых сигналов в диапазоне 1574,42 1621 МГц. Указанный фильтр, который может быть выполнен, например, на объемных электрических резонаторах, реализует аппроксимацию Баттерворта или Кауэра с линейной фазо-частотной характеристикой (ФЧХ) в полосе пропускания, при этом порядок фильтра равен четырем. Такой подход приводит к тому, что нет необходимости использовать специальный калибратор для обеспечения минимальной неравномерности времени группового запаздывания для сигналов КА с различными несущими частотами. С выхода фильтра 2 сигнал поступает на вход малошумящего усилителя 3, где происходит предварительное усиление сигнала, который затем поступает на первый вход СВЧ-коммутатор 4.

Указанный СВЧ-коммутатор, который может быть выполнен, например, на p-i-n диодах, обеспечивает возможность работы по одной из антенн: либо по внутренней (встраиваемой в аппаратуру потребителей), либо по внешней (выносной). При этом СВЧ-коммутатор 4 реализован таким образом, что при подключении внешней антенны отключаются блоки 1, 2 и 3 и осуществляется работа только на внешнюю антенну.

С выхода выносной антенны 7 сигнал поступает на вход широкополосного фильтра-преселектора 6, назначение, тип и параметры которого аналогичны фильтру 2. С выхода фильтра 6 сигнал поступает на вход малошумящего усилителя 5, функции которого аналогичны функциям устройства 3. Малошумящие усилители 3 и 5 выполнены на основе арсенид галлиевых транзисторов с барьером Шоттки. Параметры МШУ 3 и 5 таковы: коэффициент усиления 35 дБ, диапазон принимаемых частот 1 8 ГГц при неравномерности амплитудно-частотной характеристики 1 дБ и коэффициенте шума 1,5 дБ. Выход МШУ 5 соединен с вторым входом СВЧ-коммутатора 4. Параметры СВЧ-коммутатора, выполненного на основе p-i-n диодов типа 2А547А, таковы: полоса допустимых рабочих частот 0,6 9 ГГц, величина потерь пропускания открытого канала 1,5 дБ, коэффициент стоячей волны равен 1,8.

В дальнейшем сигнал с выхода СВЧ-коммутатора 4 поступает на вход двухстороннего амплитудного ограничителя 8, который представляет собой параметрический усилитель и предназначен для предотвращения возбуждения каскадов приемо-усилительного тракта в случае воздействия мощных помех, спектр которых находится в полосе пропускания приемника (например, систем глобальной космической связи или астрофизических излучателей). Потери полезной мощности при использовании амплитудного ограничителя 8 не превышают 0,5 дБ в полосе пропускания. Сигнал с выхода амплитудного ограничителя 8 поступает на первый вход МШУ 9, где происходит дальнейшее усиление принимаемого сигнала. Полосовой фильтр 10 предназначен для устранения дополнительных пульсаций в полосе пропускания широкополосного фильтра-преселектора 2 или 6 (в зависимости от режима работы).

В дальнейшем сигнал с выхода полосового фильтра 10 поступает на первые входы смесителей 11 и 12, которые выполнены по балансной схеме и представляют собой квадратурные преобразователи входного сложного фазоманипулированного сигнала. С этой целью блоки 11 и 12 соединены с гетеродином частотой 1400 МГц (первый выход формирователя 14 сетки опорных частот) с фазовым сдвигом за счет фазовращателя 13. На выходе смесителей 11 и 12 образуется сигнал разностной частоты f_пр=f_c f_г с образованием в канале блока 11 синфазной (синусной), а в канале блока 12 квадратурной (косинусной) составляющей преобразованного входного сигнала. Выходы смесителей 11 и 12 подключены соответственно к входам полосовых фильтров 16 и 20, которые представляют собой широкополосные фильтры с аппроксимацией Баттерворта и параметрами: частоты среза f₁= 50 кГц, f₂=26 МГц (по уровню 2 дБ), ослабление по частоте 30 кГц равно 45 дБ, а на частоте 28 МГц 90 дБ соответственно. Заметим, что указанная аппроксимация при реализации фильтров 16 и 20, а также реализация балансных смесителей на основе схемы с квазилинейным сдвигом частоты позволяет обеспечить очень малую величину неравномерности группового времени запаздывания Δτ для всех сигналов КА систем "Глонасс" и "Навстар" (примерно 1,5 нс). Такая величина Dt позволяет существенно повысить точностные показатели аппаратуры потребителей в целом.

Выход полосового фильтра 16 соединен с первым входом усилителя 17 промежуточной частоты, а полосовой фильтр 20 соединен с первым входом усилителя 21 промежуточной частоты. Усилители 17 и 21 промежуточной частоты необходимы для дальнейшего усиления входного сигнала.

Для обеспечения постоянства коэффициента усиления в заданных пределах используются блоки 18 и 22 автоматической регулировки усиления, причем в синфазном и квадратурном канале реализован свой блок АРУ. Блок АРУ 18, работающий по синфазной составляющей, охватывает усилитель 17 промежуточной частоты и малошумящий усилитель 9, а блок АРУ 22 усилитель 21 промежуточной частоты. Глубина регулировки блоков АРУ 18 и 22 составляет 28 дБ.

С прямого и инверсного выходов усилителя 17 промежуточной частоты синфазная составляющая входного сигнала поступает на первый и третий информационные входы аналого-цифрового преобразователя 19, а квадратурная составляющая поступает с прямого и инверсного выходов УПЧ 21 на второй и четвертый информационные входы АЦП 19. После аналого-цифрового преобразователя на выходах I₁ и I₂ АЦП 19 образуются соответственно синфазная, а на выходах Q₁ и Q₂ соответственно квадратурная цифровая составляющие входного сигнала приемника аппаратуры потребителей СРНС.

Достоинством АЦП 19 является свойство адаптивности, т.е. пороговые уровни напряжения, с которыми сравниваются входные сигналы при оцифровке, не фиксированы, а формируется путем логического сложения по ИЛИ и интегрирования. Это свойство АЦП позволяет увеличить или уменьшить пороги сравнения в зависимости от спектральных свойств входного сигнала. Такая реализация существенно увеличивает помехозащищенность системы, например, при воздействии гармонических (негауссовых) или сосредоточенных импульсных помех.

По сравнению с устройством-прототипом [3] в заявляемом приемнике аппаратуры потребителей сигналов глобальных спутниковых радионавигационных систем достигнуты следующие преимущества:
обеспечена возможность приема и обработки сигналов двух спутниковых радионавигационных систем "Глонасс" и "Навстар" с помощью одного приемного тракта, т.е. достигнуто существенное упрощение аппаратуры;
за счет применения фильтров с линейной фазо-частотной характеристикой обеспечена малая величина ($E<=>1,5 нс) неравномерности времени группового запаздывания во всей полосе рабочих частот КА, что позволяет обеспечить прецизионность измерения вектора радионавигационных параметров;
расширены функциональные возможности приемника за счет введения внутренней (встраиваемой) и внешней антенны, причем применением СВЧ-коммутатора достигается возможность автоматического перехода с внутренней антенны на внешнюю при подключении последней;
повышена помехоустойчивость приемника к негауссовым и внешним помехам за счет использования адаптивного аналого-цифрового преобразователя.

Таким образом поставленные задачи решены.

Использование: радионавигация. Сущность изобретения: приемник сигналов спутниковых радионавигационных систем содержит две антенны (1, 7), два фильтра-преселектора (2, 6), три малошумящих усилителя (3, 5, 9), один СВЧ- коммутатор (4), один амплитудный ограничитель (8), три полосовых фильтра (10, 16, 20), два смесителя (11, 12), один фазовращатель (13), один формирователь сетки опорных частот (14), один опорный термостатированный генератор (15), два усилителя промежуточной частоты (17, 21), два блока автоматической регулировки усиления (18, 22), один аналого-цифровой преобразователь (19). 4 ил.

Приемник аппаратуры потребителей сигналов глобальных спутниковых радионавигационных систем, содержащий антенну, малошумящий усилитель, смеситель, усилитель промежуточной частоты, опорный термостатированный генератор и аналого-цифровой преобразователь, выход которого является выходом приемника, отличающийся тем, что в него дополнительно введены вторая антенна, первый и второй фильтры-преселекторы, второй и третий малошумящие усилители, сверхвысокочастотный (СВЧ) коммутатор, амплитудный ограничитель, формирователь сетки опорных частот, фазовращатель, первый, второй и третий полосовые фильтры, второй смеситель, второй усилитель промежуточной частоты, первый и второй блоки автоматической регулировки усиления, выход первой антенны соединен с входом первого фильтра-преселектора, выход которого соединен с входом первого малошумящего усилителя, выход которого соединен с первым входом СВЧ-коммутатора, второй вход которого соединен с выходом второго малошумящего усилителя, входом соединенного с выходом второго фильтра-преселектора, вход которого соединен с выходом второй антенны, выход СВЧ-коммутатора соединен с входом амплитудного ограничителя, соединенного выходом с первым входом третьего малошумящего усилителя, выход которого соединен с входом первого полосового фильтра, выход которого одновременно соединен с первым входом первого и второго смесителей, второй вход второго смесителя соединен с выходом фазовращателя, вход которого соединен одновременно с вторым входом первого смесителя и первым выходом формирователя сетки опорных частот, входом соединенного с выходом опорного термостатированного генератора, выход первого смесителя соединен с входом второго полосового фильтра, выход которого соединен с первым входом первого усилителя промежуточной частоты, прямой выход которого соединен одновременно с первым информационным входом аналого-цифрового преобразователя и первого блока автоматической регулировки усиления, выход которого одновременно соединен с вторым входом первого усилителя промежуточной частоты и третьего малошумящего усилителя, выход второго смесителя соединен с входом третьего полосового фильтра, выход которого соединен с первым входом второго усилителя промежуточной частоты, выход которого одновременно соединен с вторым информационным входом аналого-цифрового преобразователя и входом второго блока автоматической регулировки усиления, выходом соединенного с вторым входом второго усилителя промежуточной частоты, инверсный выход первого усилителя промежуточной частоты соединен с третьим информационным входом аналого-цифрового преобразователя, инверсный выход второго усилителя промежуточной частоты соединен с четвертым информационным входом аналого-цифрового преобразователя, а второй выход формирователя сетки опорных частот соединен с входом управления аналого-цифрового преобразователя.