ПРИЕМНИК СИГНАЛОВ СПУТНИКОВЫХ РАДИОНАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ Российский патент 1998 года по МПК H04B1/06 

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

Известен приемник [1], 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, усилитель второй промежуточной частоты, охваченный цепью автоматической регулировки усиления (АРУ). Данное устройство может принимать одновременно сигналы только одной навигационной системы (либо системы типа "Глонасс", либо системы типа Global Positioning System (GPS- 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 f₁ 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 предпроцессорной обработки. Следует отметить, что на структурной схеме приемника [2] 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 (С/А - код) и высокоточному P-коду на частоте f₁ и f₂ (соответственно 1575,42 МГц 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 [2] не может обеспечить одновременно прием и обработку сигналов двух спутниковых радионавигационных систем типа "Глонасс" и типа "Навстар".

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является комбинированный приемник сигналов космических аппаратов GPS "Навстар", "Глонасс" [3], содержащий антенну, малошумящий усилитель, диплексор, разветвитель сигналов, преобразователь с понижением частоты сигналов космических аппаратов системы типа "Глонасс", преобразователь с понижением частоты сигналов космических аппаратов системы типа "Навстар", опорный термостатический генератор, приемник сигналов космических аппаратов системы "Глонасс", работающий на частотах L₁ и L₂ (соответственно по C/P и P-кодам) как дополнительный, факультативно поставляемый блок; четырехканальный приемник сигналов космических аппаратов (КА) системы "Глонасс", работающий по коду общего применения C/A, приемник сигналов системы КА GPS "Навстар", работающий на частотах L₁ и L₂ (соответственно по C/A и P-кодам) как дополнительный, факультативно поставляемый блок; шестиканальный приемник сигналов КА системы GPS "Навстар", работающий по коду общего применения C/A. В каждом из четырех каналов приемника системы "Глонасс" производятся дополнительное усиление и фильтрация промежуточной частоты, а также аналого-цифровое преобразование, причем каждый канал данной системы в отличие от GPS "Навстар" требует использования отдельной промежуточной частоты, так как каждый спутник излучает сигнал на своей промежуточной частоте.

Достоинство комбинированного приемника [3] заключается в возможности работы с сигналами двух спутниковых радионавигационных систем - "Глонасс" и "Навстар". При этом обеспечивается непрерывность и достаточно высокая точность измерения вектора навигационных параметров приемоиндикаторами, в которых используется данный приемник.

Однако устройство-прототип [3] имеет ряд существенных недостатков, так как возможность работы по сигналам КА двух СРНС достигается за счет двухканальной, отдельной для каждой системы КА приемной аппаратуры, что приводит к заметному усложнению и увеличению массогабаритных показателей приемника. Кроме того, применение в устройстве-прототипе диплексора приводит к энергетическим потерям и усложнению управления в режиме разделения времени для обеспечения работы по каждому из каналов приема сигналов космических аппаратов.

В заявляемом устройстве достигнута возможность решения следующих задач:
- возможность приема и обработки сигналов космических аппаратов радионавигационных систем "Глонасс" и GPS "Навстар" с помощью одного приемного тракта, т.е. без дублирования каналов приема;
- реализация указанного приемника может быть обеспечена с помощью одного смесителя и усилителя промежуточной частоты, что позволит упростить устройство в целом и снизить дополнительные энергетические потери, которые имеют место при дополнительных преобразованиях входного сигнала;
- повысить точностные характеристики приемника за счет уменьшения времени группового запаздывания при передаче сигналов спутниковых радионавигационных систем типа "Глонасс" и GPS "Навстар".

Указанные преимущества перед прототипом достигаются за счет того, что в приемник сигналов спутниковых радионавигационных систем, содержащий антенну, малошумящий усилитель, смеситель, усилитель промежуточной частоты, опорный термостатированный генератор, дополнительно введены входной фидер, широкополосный фильтр-преселектор, второй малошумящий усилитель, первый и второй полосовые фильтры, блок автоматической регулировки усиления, синтезатор частоты и блок комплексного преобразования сигналов. Выход антенны соединен со входом входного фидера, выходом подсоединенного ко входу широкополосного фильтра-преселектора, выход которого в свою очередь соединен с первым входом первого малошумящего усилителя. Выход данного малошумящего усилителя (МШУ) подключен ко входу первого полосового фильтра, выход которого подключен к первому входу малошумящего усилителя. Выход второго МШУ подсоединен к первому входу смесителя, выход которого подключен ко входу второго полосового фильтра, подключенного выходом ко входу усилителя промежуточной частоты. Выход усилителя промежуточной частоты подключен одновременно к информационному входу блока комплексного преобразования сигналов и входу блока автоматической регулировки усиления (АРУ), причем выход блока АРУ подключен одновременно ко второму входу первого МШУ, второму входу второго МШУ и второму входу усилителя промежуточной частоты. Выход опорного термостатического генератора соединен со входом синтезатора частот, первый выход которого подсоединен ко второму входу смесителя, а второй и третий выходы синтезатора частот подключены соответственно к первому и второму входам блока комплексного преобразования сигналов, обеспечивая тем самым выдачу квадратурных цифровых отсчетов обрабатываемого сигнала на выходе приемника.

На фиг. 1 представлена функциональная схема приемника сигналов спутниковых радионавигационных систем; на фиг. 2 - схема синтезатора частот; на фиг. 3 - функциональная схема многоступенчатого делителя частоты; на фиг. 4(а, б, в) - соответственно амплитудно-частотная, фазочастотная характеристики и характеристика времени группового запаздывания широкополосного фильтра-преселектора; на фиг. 5 - амплитудно-частотная характеристика полосового фильтра тракта промежуточной частоты; на фиг. 6 - вариант реализации блока комплексного преобразования сигналов.

Согласно изобретению приемник сигналов спутниковых радионавигационных систем (фиг.2) содержит антенну и входной фидер 1, выход которого подключен к выходу широкополосного фильтра-преселектора 2, выходом соединенного с первым входом первого малошумящего усилителя 3. Выход малошумящего усилителя 3 подключен ко входу полосового фильтра 4, выход которого подсоединен к первому входу второго малошумящего усилителя 5, соединенного выходом с первым входом смесителя 6, ко второму входу которого подключен первый выход синтезатора 7 частот, выполняющего в данном случае функцию гетеродина. Вход синтезатора 7 частот соединен с выходом опорного термостатического генератора 8. Выход смесителя 6 соединен с входом полосового фильтра 9, который обеспечивает на разностной (промежуточной) частоте выделение сигналов космических аппаратов "Глонасс" и "Навстар". Выход полосового фильтра 9 подключен к первому входу усилителя 10 промежуточной частоты. Выход усилителя 10 промежуточной частоты соединен одновременно с входом блока комплексного преобразования сигналов 11, выход которого служит выходом заявляемого устройства, а также с входом блока 12 автоматической регулировки усиления. Выходы последнего подключены соответственно ко второму входу усилителя 10 промежуточной частоты, второму входу второго малошумящего усилителя 3 и второму входу малошумящего усилителя 5.

Синтезатор 7 частот (фиг.1, 2) содержит импульсный фазовый детектор 13, на первый вход которого поступает сигнал с выхода термостатического генератора 8. Выходной сигнал с выхода термостатического генератора 8 также поступает на первый вход частотного детектора 14. Выходы фазового детектора 13 и частотного детектора 14 подсоединены соответственно к первому и второму входам сумматора 15, выход которого соединен со входом фильтра 16 нижних частот (ФНЧ). Выход ФНЧ 16 подключен ко входу генератора 17, управляемого напряжением, выход которого в свою очередь подключен одновременно ко входу смесителя 6, обеспечивая тем самым подачу сигнала гетеродина частотой 1440 МГц, а также ко входу многокаскадного делителя 18 частоты, образуя тем самым активный синтезатор частот.

Многокаскадный делитель 18 частоты (фиг.2,3) содержит Т-триггер 19, тактовый вход которого соединен с выходом генератора 17, управляемого напряжением (ГУН) и является входом многокаскадного делителя 18 частоты.

Прямой выход Т-триггера 19 соединен с тактовым входом Т-триггера 20, а инверсный - со входом счетчика-делителя 21 (П=72), выход которого подключен соответственно ко вторым входам импульсного фазового детектора 13 и частотного детектора 14. Инверсный выход триггера 20 соединен одновременно с входом Т-триггера 22 и первым входом элемента 3-И 23. Выход Т-триггера 22 подключен одновременно ко входу Т-триггера 24 и второму входу элемента 3-И 23. Выход Т-триггера 24 подключен одновременно к третьему входу элемента 3-И 23 и первому входу управления аналого-цифрового преобразователя 11. Прямой выход Т-триггера 20 подсоединен к входу синхронизации Т-триггера 25, выход которого соединен с входом синхронизации Т-триггера 26, выход которого соединен вторым входом управления аналого-цифрового преобразователя 11. Выход элемента 3-И 23 подсоединен к входам сброса Т-триггеров 25 и 26. Сигналы, которые снимаются с выхода Т-триггеров 25 и 26, поступают на соответствующие управляющие входы аналого-цифрового преобразователя 11 со сдвигом друг относительно друга во времени на четверть периода, обеспечивая тем самым квадратурную обработку входного сигнала.

На фиг.4 (а, б, в) показаны соответственно амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики, а также характеристика времени группового запаздывания широкополосного фильтра-преселектора 2 (фильтра-преселектора Кауэра).

На фиг. 5 показана амплитудно-частотная характеристика каскадного полосового фильтра 9, обеспечивающего фильтрацию зеркальной помехи радиотракта и выделение (избирательность) сигналов космических аппаратов систем "Глонасс" и "Навстар".

Блок комплексного преобразования сигналов 11 (фиг.1,6) содержит компараторы 27, 28 и 29, на первый вход которых поступает сигнал с выхода усилителя 10 промежуточной частоты. Второй вход компаратора 27 соединен с положительным потенциалом, определяющим пороговое напряжение сравнения (U_пор1); второй вход компаратора 28 подключен к отрицательному потенциалу, определяющему пороговое напряжение сравнения (U_пор2); второй вход компаратора 29 подключен к нулевому потенциалу, также определяющему пороговое напряжение сравнения (U_пор3). Выходы компараторов 27 и 28 подсоединены соответственно к первому и второму входу элемента ИЛИ 30, выход которого соединен одновременно с информационным входом D-триггеров 31 и 32. Выход компаратора 29 подсоединен одновременно к информационным входам D-триггеров 33 и 34. Тактовые входы триггеров 31 и 33 одновременно подключены к выходу Т-триггера 24, а тактовые входы D-триггеров 32 и 34 одновременно соединены с выходом Т-триггера 26. Выходы D-триггеров 31 и 33 образуют первую (синусную) пару отсчетов, а выходы D-триггеров 32 и 34 образуют вторую (косинусную) пару отсчетов Q₁ и Q₂ выходного информационного цифрового сигнала.

Заявляемое устройство работает следующим образом.

На вход антенны приемника поступают одновременно сигналы космических аппаратов двух спутниковых радионавигационных систем "Глонасс" и "Навстар" S_L, которые в двух диапазонах принимаемых частот L₁ и L₂ имеют вид:

где P_i(t) - псевдослучайная огибающая i-го КА, = 1...n;
D_i(t) - навигационное сообщение i-го КА;
ϕ_i•L₁ и ϕ_i•L₂ - начальные фазы принимаемых сигналов;
ω_i•L₁ и ω_i•L₂ - несущие частоты в диапазонах L₁ и L₂ от i-го космического аппарата;
t - текущее время.

Амплитудно-частотная характеристика приемного тракта заявляемого устройства определяется спектрами частот принимаемых сигналов. Спектр сигналов системы КА GPS "Навстар" при работе по коду общего применения C/A составляет (1575,42-1) МГц, а спектр сигналов КА системы "Глонасс" при работе по C/A и P-кодам 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 составляет примерно 50 МГц. Принимаемые сигналы с антенны поступают во входной фидер 1, который представляет собой четвертьволновый замкнутый на одной стороне отрезок коаксиальной линии и служит для согласования параметров антенны и входных цепей приемника. С выхода фидера 1 сигналы поступают на вход широкополосного фильтра-преселектора 2, который служит для ограничения полосы частот принимаемых сигналов в диапазоне 1574,42-1621 МГц. Указанный фильтр, выполненный на микрополосковых линиях, реализует эллиптический полосовой фильтр Кауэра 5-го порядка. На фиг.4,а представлена амплитудно-частотная характеристика данного фильтра, а на фиг.4,б - его фазочастотная характеристика. Как видно из фиг. 4, б, широкополосный фильтр-преселектор 2 обладает важным достоинством, а именно практически линейной фазой в полосе пропускания фильтра, что является большим преимуществом при работе со сложными фазоманипулированными сигналами, принимаемыми со спутников. Это приводит, например, к тому, что фильтр-преселектор 2 имеет одинаковое линейное время группового запаздывания τ в полосе пропускания, равное примерно 2,5 нс (фиг.4,в). Такая реализация приводит к тому, что нет необходимости использовать специальный калибратор для обеспечения одинакового времени группового запаздывания τ для всех сигналов, принимаемых от КА. С выхода фильтра-преселектора 2 сигнал поступает на вход малошумящего усилителя 3, выход которого соединен с входом полосового фильтра 4, сигнал с выхода которого поступает на вход второго малошумящего усилителя 5.

Полосовой фильтр 4 предназначен для устранения дополнительных пульсаций в полосе заграждения широкополосного фильтра-преселектора 2, а также для развязки между малошумящими усилителями 3 и 5. Основное усиление приемного тракта обеспечивается малошумящими усилителями 3 и 5, которые выполнены на основе арсенид-галлиевых транзисторов с барьером Шоттки. Параметры малошумящих усилителей 3 и 5: коэффициент усиления 35 дБ, диапазон принимаемых частот 1...8 ГГц при неравномерности амплитудно-частотной характеристики 1 дБ и коэффициенте шума 1,1 дБ.

Дальше сигнал с выхода МШУ 5 поступает на вход смесителя 6, выполненного по балансной схеме и представляющего собой линейный преобразователь сдвига частоты, т. е. на выходе блока 6 происходит выделение сигнала разностной частоты f_пр = f_с - f_п, но при этом сохраняется линейность времени группового запаздывания τ для всех принимаемых сигналов.

Выход смесителя 6 соединен с входом полосового фильтра 9, амплитудно-частотная характеристика которого представлена на фиг.5. Он представляет собой два последовательно включенных фильтра Бесселя третьего порядка с линейной фазочастотной характеристикой, настроенные на частоты сигналов космических аппаратов системы GPS "Навстар", т.е. на частоту (133-137 МГц) и системы "Глонасс", т.е. на частоту (157-181 МГц), обеспечивая тем самым обработку входной информации в широкой полосе частот. Выход полосового фильтра 9 соединен с первым входом усилителя 10 промежуточной частоты для дальнейшего усиления входного сигнала. Для обеспечения постоянства коэффициента усиления в заданных пределах используется блок 12 автоматической регулировки усиления, охватывающий МШУ 3 и 5, усилитель 10 промежуточной частоты.

Выходной сигнал усилителя 10 промежуточной частоты поступает на вход блока комплексного преобразования сигналов, в котором реализована квадратурная обработка входной информации за счет подачи на управляющие входы данного узла прямоугольных импульсов со сдвигом на четверть периода, при этом на выходах I₁, I₂ образуется синусная, а на выходах Q₁ и Q₂ - косинусная составляющая входной информационного сигнала.

По сравнению с устройством-прототипом [3] в заявляемом приемнике спутниковых радионавигационных сигналов достигнуты следующие преимущества:
а) обеспечение возможности приема и обработки сигналов двух спутниковых радионавигационных систем, т.е. систем типа "Глонасс" и GPS "Навстар", с помощью одного приемного тракта, а значит, достигнуто существенное упрощение приемной аппаратуры;
б) реализация приемника может быть осуществлена с помощью одного преобразования на промежуточную частоту с целью дальнейшей цифровой обработки сигналов, поступивших с КА спутниковых радионавигационных систем, при этом подача сигналов гетеродина и управления блоком комплексного преобразования сигнала. Использование в синтезаторе частот импульсного фазового и частотного детектора предохраняет устройство от ложных захватов на кратных частотах генератора, управляемого напряжением, и тем самым обеспечивает высокую надежность и точность работы схемы;
в) заявляемое устройство обеспечивает более высокую точность воспроизведения входной информации, чем устройство-прототип, за счет применения фильтров с эллиптической аппроксимацией, что обеспечивает линейную фазочастотную характеристику и как следствие одинаковое и минимальное время групповой задержки для всех принимаемых сигналов. Таким образом, поставленные задачи выполнены.

Предлагаемое устройство может быть использовано в трактах первичной обработки информации приемоиндикаторов двух взаимно-рассинхронизированных спутниковых радионавигационных систем. В приемник сигналов, включающий в себя антенну, малошумящий усилитель, смеситель, усилитель промежуточной частоты, опорный термостатический генератор, блок комплексного преобразования сигнала, выход которого является выходом приемника, дополнительно введены входной фидер, широкополосный фильтр-преселектор, второй малошумящий усилитель, первый и второй полосовые фильтры, блок автоматической регулировки усиления и синтезатор частот. Использование заявляемого устройства позволяет принимать и обрабатывать сигналы космических радионавигационных систем "Глонасс" и "Навстар" без дублирования каналов приема, т.е. с помощью одного приемного тракта. Кроме того, за счет уменьшения времени группового запаздывания при передаче сигналов систем "Глонасс" и "Навстар" повышаются точностные характеристики приемника, а реализация заявляемого устройства с помощью одного смесителя и усилителя промежуточной частоты позволяет упростить приемник в целом и снизить энергетические потери. 6 ил.

Приемник сигналов спутниковых радионавигационных систем, содержащий антенну, малошумящий усилитель, смеситель, усилитель промежуточной частоты, опорный термостатированный генератор, отличающийся тем, что он дополнительно содержит широкополосный фильтр-преселектор, второй малошумящий усилитель, первый и второй полосовые фильтры, блок автоматической регулировки усиления, синтезатор частот, блок комплексного преобразования сигнала, причем выход фидера антенны соединен с входом широкополосного фильтра-преселектора, выходом подключенного к первому входу первого малошумящего усилителя, выход которого подключен к входу первого полосового фильтра, выходом соединенного с первым входом второго малошумящего усилителя, выходом соединенного с первым входом смесителя, выход которого подключен к входу второго полосового фильтра, выходом соединенного с первым входом усилителя промежуточной частоты, выход которого соединен одновременно с информационным входом блока комплексного преобразователя сигнала и блока автоматической регулировки усиления, причем выход блока автоматической регулировки усиления соединен одновременно с вторым входом первого малошумящего усилителя, вторым входом второго малошумящего усилителя и вторым входом усилителя промежуточной частоты, при этом выход опорного термостатированного генератора подключен к входу синтезатора частот, первый выход которого соединен с вторым входом смесителя, а второй и третий выходы синтезатора частот подсоединены соответственно к первому и второму входам блока комплексного преобразования сигнала.