СПОСОБ ПРОГРАММНОЙ ОБРАБОТКИ БУФЕРИЗОВАННЫХ ВЫБОРОК ОЦИФРОВАННЫХ СИГНАЛОВ И МУЛЬТИСИСТЕМНЫЙ МНОГОКАНАЛЬНЫЙ ПРОГРАММНЫЙ ПРИЕМНИК РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ СИГНАЛОВ СПУТНИКОВЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ И СИСТЕМ ИХ ПОДДЕРЖЕК ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2008 года по МПК H04B1/06 

Изобретение относится к области радиотехники, и в частности радионавигации с использованием сигналов навигационных систем и систем их поддержек GPS, ГЛОНАСС, GALILEO, SBAS и GBAS.

Предлагаемый способ и устройство могут быть использованы в мультисистемных приемниках спутниковой навигации, работающих по сигналам спутников навигационных систем и систем их поддержек GPS, ГЛОНАСС, GALILEO, SBAS и GBAS.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по устройству и по способу программной обработки радиосигналов являются способ и устройство «Программный приемник реального времени» (Real time software receiver) [1], которые были выбраны в качестве прототипа.

Способ программной обработки буферизованных выборок оцифрованных сигналов [1] включает операции поиска, захвата, сопровождения и оценки параметров сигналов, а программный приемник реального времени [1] включает антенну, аналоговый радиоприемный тракт со средством преобразования частоты сигналов спутников вниз, средства оцифровки аналоговых сигналов промежуточной частоты и их буферизации, программный коррелятор сигналов с ожидаемыми псевдослучайными кодами спутников в реальном времени, процессор общего назначения для решения навигационных уравнений и обслуживания интерфейсов различных потребителей.

Однако это изобретение имеет недостатки, такие как:

1) невозможность создания мультисистемного многочастотного многоканального программного приемника реального времени из-за недостаточной производительности (в обозримом будущем) микропроцессоров общего назначения и даже специализированных сигнальных; отсутствие защиты от сосредоточенных по спектру помех, например, индустриального происхождения;

2) отсутствие многоразрядных АЦП (аналого-цифровых преобразователей), необходимых для оценки помеховой обстановки. Расположение их в микросхеме (МС) аналогового тракта приведет к большому количеству выводов как в аналоговой МС, так и в МС сигнального процессора (n×m, где n - разрядность АЦП, m - число цифруемых частотных каналов) и соединительных проводов между ними.

В основу изобретения поставлена задача создания такого способа и устройства, которое устранит вышеуказанные недостатки прототипа.

Поставленная задача решается тем, что в способе программной обработки буферизованных выборок оцифрованных сигналов, включающем операции поиска, захвата, сопровождения и оценки параметров сигналов, согласно изобретению обработку сигналов начинают с построения частотной панорамы методом оценки спектра на основе быстрого преобразования Фурье для оценки доплеровских частот сигналов, определения наличия и оценки параметров узкополосных помех, причем в специализированных сигнальных процессорах с векторно-матричными сопроцессорами методом частотной выборки по данным частотной панорамы вычисляют коэффициенты цифровых режекторных КИХ-фильтров узкополосных помех, причем эти коэффициенты загружают по шинам внутрисистемного обмена из специализированного сигнального процессора с векторно-матричным сопроцессором в средства режекции, расположенные в блоке предварительной обработки сигналов (БПОС), а для поиска, сопровождения и оценки параметров сигналов предварительно режектируют узкополосные помехи набором вышеупомянутых цифровых режекторных КИХ-фильтров узкополосных помех, причем поиск осуществляют программно в получиповом окне дальномерного кода методом быстрой свертки в частотной области с использованием процедуры обнаружения по критерию Вальда, причем в режиме сопровождения оценку доплеровского сдвига частоты производят программно на специализированном сигнальном процессоре с векторно-матричным сопроцессором методом оценки спектра на основе быстрого преобразования Фурье с более высокой разрешающей способностью, чем для частотной панорамы, а оценку текущей фазы несущей в режиме сопровождения производят вычислением арктангенса отношения квадратурной проекции сигнала к синфазной, эту оценку формируют с использованием оценки доплеровской частоты, полученной в процессе сопровождения.

Поставленная задача решается также тем, что в мультисистемный многоканальный программный приемник реального времени сигналов спутниковых навигационных систем и систем их поддержек, включающий антенно-фидерное устройство, аналоговый радиоприемный тракт со средством преобразования частоты сигналов спутников вниз, средством оцифровки аналоговых сигналов промежуточной частоты, процессор общего назначения, реализующий операции предварительной сортировки цифровых отсчетов входного сигнала, их буферизации, и программного коррелирования сигналов с кодами спутников в реальном времени, а также решения навигационных уравнений и обслуживания интерфейсов различных потребителей, в устройство вводят аналоговые тракты сигналов разных частот систем GPS, ГЛОНАСС, GALILEO, SBAS и GBAS с соответствующими антенно-фидерными устройствами, два специализированных сигнальных процессора с векторно-матричными сопроцессорами для полной программной обработки в реальном времени перечисленных выше сигналов, причем первый осуществляет быструю свертку сигнала при поиске, а второй подготавливает исходные данные для быстрой свертки сигнала.

Вычислительная платформа мультисистемного многоканального программного приемника реального времени сигналов спутниковых навигационных систем и систем их поддержек, включающая два специализированных сигнальных процессора с векторно-матричными сопроцессорами, один процессор общего назначения, блок оперативной памяти и памяти программ, шины внутрисистемного обмена информацией и интерфейсный блок, выполнена в виде системы на кристалле (SoC).

В этой же системе на кристалле SoC размещают блок предварительной обработки сигналов, включающий цифровые режекторные КИХ-фильтры узкополосных помех, средства цифрового гетеродинирования литерных частот ГЛОНАСС, квадратор для построения частотной панорамы, средства буферизации и когерентного накопления оцифрованных выборок сигналов на программно управляемых интервалах времени.

В вычислительной платформе, выполненной в виде системы на кристалле SoC, размещают также аналого-цифровые преобразователи для устранения п.З недостатка прототипа. Блок схема мультисистемного многоканального программного приемника реального времени сигналов спутниковых навигационных систем и систем их поддержек представлена на чертеже, где

1 - антенно-фидерное устройство;

2 - аналоговый радиоприемный тракт со средством преобразования частоты сигналов спутников вниз;

3 - вычислительная платформа в виде системы на кристалле SoC;

4-7 - аналого-цифровые преобразователи (АЦП);

8 - блок предварительной обработки сигналов (БПОС);

9 - специализированный сигнальный процессор с векторно-матричным сопроцессором для быстрой свертки сигнала при поиске;

10 - специализированный сигнальный процессор с векторно-матричным сопроцессором, который подготавливает исходные данные для быстрой свертки сигнала;

11 - блок оперативной памяти и памяти программ;

12 - процессор общего назначения;

13 - интерфейсный блок;

14 - шины внутрисистемного обмена информацией.

Вычислительная платформа в виде системы на кристалле 3 - System on Chip (SoC), включает процессор общего назначения 12, функции которого ограничивают решением навигационных уравнений и обслуживанием интерфейсов разных потребителей, два специализированных сигнальных процессора с векторно-матричными сопроцессорами 9, 10 для полной программной обработки в реальном времени вышеперечисленных сигналов, причем первый осуществляет быструю свертку сигнала при поиске, а второй подготавливает исходные данные для быстрой свертки сигнала.

Специализированные сигнальные процессоры с векторно-матричным сопроцессором (например типа NM6403, NM6404 московского НТЦ «Модуль») отличаются от процессоров общего назначения (в том числе и сигнальных) тем, что имеют дополнительный векторно-матричный сопроцессор с размером матрицы не менее 64×64, где аппаратно реализованы операции умножения с накоплением. Эти специализированные сигнальные процессоры с векторно-матричным сопроцессором идеально подходят для цифровой фильтрации сигналов - умножения их отсчетов на весовые коэффициенты и накопление результатов. В частности, очень быстро - несколько умножений с накоплением за один машинный такт - решается задача вычисления корреляции входного сигнала с ожидаемым - отсчетов взаимнокорреляционной функции (ВКФ) для поиска сигналов и их сопровождения по задержке.

Кроме того, на этом же кристалле (в составе вычислительной платформы) дополнительно реализуют блок предварительной обработки сигналов 8 (БПОС), который выполняет функции аппаратной поддержки программной обработки радиосигналов. В БПОС реализованы цифровые режекторные фильтры узкополосных помех с конечной импульсной характеристикой (КИХ-фильтры). Здесь же реализованы буферизация и когерентное накопление оцифрованных выборок сигналов на интервалах времени, задаваемых программно, а также средства цифрового гетеродинирования литерных частот сигналов ГЛОНАСС, схемы предварительной сортировки цифровых отсчетов сигнала и квадратор для построения частотной панорамы с использованием спектральных методов на основе алгоритма быстрого преобразования Фурье (БПФ).

Кроме того, в вычислительной платформе, выполненной в виде SoC, размещают также аналого-цифровые преобразователи АЦП 4-7 входных сигналов, необходимые для работы блоки памяти оперативной и программ 11, интерфейсный блок 13, шины внутрисистемного обмена информацией 14.

Литература

1. Патент США №7010069 «Программный приемник реального времени» (Real-time software receiver).

Изобретение относится к области радиотехники, и в частности радионавигации с использованием сигналов навигационных систем и систем их поддержек GPS, ГЛОНАСС, GALILEO, SBAS и GBAS. В мультисистемный многоканальный программный приемник реального времени сигналов спутниковых навигационных систем и систем их поддержек включены аналоговые тракты сигналов разных частот систем GPS, ГЛОНАСС, GALILEO, SBAS и GBAS с соответствующими антенно-фидерными устройствами, два специализированных сигнальных процессора с векторно-матричными сопроцессорами для полной программной обработки в реальном времени вышеперечисленных сигналов, первый осуществляет быструю свертку сигнала при поиске, а второй подготавливает исходные данные для быстрой свертки сигнала. Приемник также содержит вычислительную платформу, на которой расположены два специализированных сигнальных процессора с векторно-матричными сопроцессорами, один процессор общего назначения, блок оперативной памяти и памяти программ, шины внутрисистемного обмена информацией и интерфейсный блок, аналого-цифровые преобразователи. Достигаемым техническим результатом является возможность защиты от сосредоточенных по спектру помех и упрощение реализации назначения. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Мультисистемный многоканальный программный приемник реального времени сигналов спутниковых навигационных систем и систем их поддержек, включающий процессор общего назначения, предназначенный для решения навигационных уравнений и обслуживания интерфейсов различных потребителей, отличающийся тем, что в него включены аналоговые радиоприемные тракты со средствами преобразования частоты сигналов систем GPS, ГЛОНАСС, GALILEO, SBAS и GBAS, связанные с соответствующими антенно-фидерными устройствами, аналого-цифровые преобразователи, связанные с соответствующими аналоговыми радиоприемными трактами, блок предварительной обработки сигналов, блок оперативной памяти и памяти программ, два специализированных сигнальных процессора с векторно-матричными сопроцессорами для полной программной обработки в реальном времени вышеперечисленных сигналов, при этом первый осуществляет быструю свертку сигналов при поиске, а второй подготавливает исходные данные для быстрой свертки сигналов, причем аналого-цифровые преобразователи, блок предварительной обработки сигналов, два специализированных сигнальных процессора с векторно-матричными сопроцессорами, процессор общего назначения, блок оперативной памяти и памяти программ, интерфейсный блок, шины внутрисистемного обмена информацией представляют собой вычислительную платформу, в которой все входящие блоки связаны между собой шинами внутрисистемного обмена информацией.2. Приемник по п.1, отличающийся тем, что вычислительная платформа выполнена в виде системы на кристалле SoC.3. Приемник по п.1 или 2, отличающийся тем, что блок предварительной обработки сигналов включает связанные между собой цифровые режекторные фильтры узкополосных помех с конечной импульсной характеристикой, средства цифрового гетеродинирования литерных частот ГЛОНАСС, квадратор, средства предварительной сортировки цифровых отсчетов сигналов, их буферизации и когерентного накопления оцифрованных выборок сигналов на программно управляемых интервалах времени.4. Способ программной обработки буферизованных выборок оцифрованных сигналов, включающий операции поиска, захвата, сопровождения и оценки параметров принятых сигналов, отличающийся тем, что обработку сигналов начинают с построения частотной панорамы методом оценки спектра на основе быстрого преобразования Фурье для оценки доплеровских частот сигналов, определения наличия и оценки параметров узкополосных помех, причем в специализированных сигнальных процессорах с векторно-матричными сопроцессорами методом частотной выборки по данным частотной панорамы вычисляют коэффициенты цифровых режекторных фильтров узкополосных помех с конечной импульсной характеристикой (КИХ-фильтров), причем эти коэффициенты загружают по шинам внутрисистемного обмена из специализированного сигнального процессора с векторно-матричным сопроцессором в средства режекции, расположенные в блоке предварительной обработки сигналов, при этом для поиска, сопровождения и оценки параметров сигналов предварительно режектируют узкополосные помехи с помощью упомянутых цифровых режекторных КИХ-фильтров узкополосных помех, причем поиск осуществляют программно в получиповом окне дальномерного кода методом быстрой свертки в частотной области с использованием процедуры обнаружения по критерию Вальда, в режиме сопровождения оценку доплеровского сдвига частоты производят программно на специализированном сигнальном процессоре с векторно-матричным сопроцессором методом оценки спектра на основе быстрого преобразования Фурье с более высокой разрешающей способностью, чем для построения частотной панорамы, а оценку текущей фазы несущей частоты сигнала в режиме сопровождения производят вычислением арктангенса отношения квадратурной проекции сигнала к синфазной, эту оценку формируют с использованием оценки доплеровской частоты, полученной в процессе сопровождения.