Высокочувствительный приемник сигналов Глобальных Навигационных Спутниковых Систем Российский патент 2018 года по МПК G01S19/13 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к радиотехнике, а именно, к области радионавигации, и может быть использовано при построении приемников Глобальных Навигационных Спутниковых Систем (ГНСС), в частности, приемников ГНСС Глонасс (Россия), GPS (США), Галилео (Европейский Союз), Бейдоу (КНР), QZSS (Япония), IRNSS (Индия), SBAS.

Уровень техники

В мире существуют и эксплуатируются две глобальные навигационные спутниковые системы: принадлежащая Соединенным Штатам Америки Global Positioning System (GPS) и российская Глобальная Навигационная Спутниковая Система (ГЛОНАСС).

Ведется также создание Европейской спутниковой навигационной системы Галилео (Galileo), китайской ГНСС Бейдоу (или Компас), японской QZSS, индийской IRNSS.

Кроме того, на национальном уровне рядом стран созданы или создаются унифицированные системы функциональныого дополнения ГНСС, получившие собирательное название SBAS (Space Based Augmentation System).

Сигналы ГНСС, даже излучаемые в общем частотном диапазоне, например, L1, различаются номиналами несущих колебаний радиочастоты. Так ГНСС GPS, Galileo, QZSS, IRNSS, а также SBAS излучают навигационные сигналы в диапазоне L1 на частоте 1575.42 МГц. В отличие от них, ГНСС Бейдоу излучает навигационные сигналы в диапазоне L1 на частоте 1561.098 МГц, а ГНСС ГЛОНАСС - на 14 разных частотах вблизи базового значения 1602.0 МГц. Структуры сигналов всех перечисленных систем схожи, хотя и имеют отличия. По этой причине, способы цифровой обработки сигналов систем при их приеме, как правило, одинаковы или близки.

Таким образом, рассматриваемые известные примеры осуществления приема сигналов, взятые из описаний способов и устройств, используемых в приемниках той или иной системы, распространимы и на остальные известные радионавигационные системы. То же относится и к самому предлагаемому изобретению.

Требование высокой чувствительности предъявляется к приемнику ГНСС, если предполагается прием сигналов в сложных условиях.

К таковым относятся, например, работа в условиях плотной городской застройки, затеняющей прямую видимость в направлении на навигационные спутники (НИСЗ) ГНСС; ослабление сигналов листвой деревьев; работа в помещениях; работа на борту космических аппаратов (КА) на высоких околоземных орбитах, где не всегда возможен прием сигналов ГНСС, излучаемых в пределах основного лепестка диграмм направленности передающих антенн НИСЗ.

Ширина основного лепестка диаграмм направленности передающих бортовых антенн НИСЗ ГНСС рассчитана на обеспечение достаточного уровня сигнала для потребителей на поверхности Земли и в ближнем околоземном пространстве -приблизительно, до высот 3000 км. Потребители НИСЗ-КА на высоких околоземных орбитах, как правило, большую часть времени могут принимать лишь сигналы ГНСС, излучаемые через боковые лепестки антенн их НИСЗ, то есть, сильно ослабленные сигналы.

Удовлетворение требования высокой чувствительности приемника ГНСС, в первую очередь, сводится к организации цифровой обработки слабых сигналов, обеспечивающей их обнаружение и захват за приемлемо малое время. Обнаружение сигналов ГНСС требует организации их многомерного (частота, задержка, номер НИСЗ) поиска. Обнаружение слабых сигналов требует увеличения времени накопления корреляционных интегралов произведений входных отсчетов и вариантов локальных копий обнаруживаемого сигнала. В свою очередь, увеличение времени накопления приводит к сужению частотного диапазона обнаружения при проверке одного варианта локальной копии и, следовательно, к увеличению необходимого числа проверяемых в ходе поиска гипотез о частоте обнаруживаемого сигнала.

Таким образом, ослабление сигнала ГНСС приводит, во-первых, к увеличению времени накопления при обнаружении, что практически исключает применимость последовательных процедур поиска, и, во-вторых, к росту числа проверяемых гипотез. Для слабых сигналов такой многомерный поиск за приемлемо малое время достигается высоким параллелизмом проверки гипотез о его параметрах. Число одновременно проверяемых гипотез, реализуемое в современных высокочувствительных приемниках ГНСС, достигает сотен тысяч и, даже, миллионов. Такая степень параллелелизма сигнальной обработки достигается не лобовым наращиванием числа физических каналов обработки, а повышением скорости поочередной обработки сигналов в малом числе (вплоть до одного) высокопроизводительных корреляторных каналов. То есть, применяется цифровая обработка сигналов в ускоренном времени.

Так, Патент США №7428259, выданный 23 сентября 2008 года, «Эффективная и гибкая цифровая архитектура приемника GPS» раскрывает архитектуру приемника ГНСС GPS, использующую единственный высокопроизводительный коррелятор, поочередно обрабатывающий группы отсчетов сигналов в ускоренном времени, коррелируя их с локальными копиями всех сигналов. Порции входных отсчетов хранятся в буферной сигнальной памяти в течение времени, требуемого для корреляционной обработки всех требуемых НИСЗ GPS. Результаты корреляционной обработки порций сигнальных отсчетов хранятся в специальной памяти накоплений и повторно используются при возобновлении обработки тех же сигналов. Тем самым, реализуется обработка сигналов единственным физическим корреляторным каналом в ускоренном времени так, как будто бы она производилась большим числом виртуальных каналов в реальном времени.

Патент США №7630430, выданный 8 декабря 2009 года, «Метод и устройство для ускорения процесса корреляции сигналов GPS» раскрывает архитектуру приемника ГНСС GPS в части реализации высокой производительности корреляционной обработки. Приемник ГНСС (смотри Фиг. 1) состоит из последовательно соединенных антенны (1), аналогового радиочастотного преобразователя (РЧП) (2), цифрового преобразователя частоты (ЦПЧ) (4), пакетной памяти сигнала (5), блока корреляции (6), представляющего собой группу параллельно соединенных каналов корреляции, и блока частотного анализа (7), а также генератора опорной частоты (3), выход (11) которого соединен с входом опорной частоты радиочастотного преобразователя (2); блока памяти накоплений (8), вход которого соединен с выходом блока корреляции (6); и процессора с блоком памяти и интерфейсными блоками (9), вход/выход которого соединен с входом/выходом блока корреляции (6), блока частотного анализа (7) и блока памяти накоплений (8) цифровой шиной данных (12), второй вход/выход процессора (9) является внешним информационным входом/выходом (10) устройства.

В приемнике ГНСС согласно патенту США №7630430, как и в большинстве массовых приемников ГНСС, в качестве антенны (1) используется малонаправленная, например, микрополосковая антенна. Антенна (1) и РЧП (2) улавливают, усиливают, селектируют (с помощью полосовой фильтрации) сигналы и преобразуют частоту смеси сигналов и шума (внешнего и самих антенны и РЧП) к удобному значению промежуточной частоты (ПЧ), При этом РЧП использует сигнал от стабильного генератора опорной частоты (3). Выходными сигналами РЧП (2) служат преобразованные в цифровую форму выборки смеси сигналов и шума на ПЧ (13). Цифровой преобразователь частоты (4) переносит комплексные цифровые отсчеты (13) сигналов ГНСС на нулевую (приблизительно) частоту, осуществляет фильтрацию сигналов ГНСС, согласованную с шириной спектра модуляции сигналов, что позволяет в дальнейшем использовать минимальное значение частоты дискретизации сигналов, и квантует отфильтрованные сигналы, сохраняя число разрядов представления их отсчетов, предназначенное для хранения в блоке пакетной памяти сигнала (5). Блок пакетной памяти сигнала (5) сохраняет отсчеты (14) сигналов ГНСС в темпе реального времени и воспроизводит их в виде пакетов отсчетов (15) в ускоренном темпе, согласованном с темпом последующей обработки в каналах блока корреляции (6). Блок запоминания сигнала (5) строится, например, как циклический буфер на базе ЗУ с произвольным доступом. Каналы блока корреляции (6) осуществляют корреляционную обработку отсчетов (15) смеси сигналов ГНСС с шумом. Выходными сигналами каналов блока корреляции (6) обычно являются накопленные за известное время корреляционные интегралы (16) смеси сигнала с шумом и ожидаемой копии сигнала. Блок частотной обработки (7) производит дальнейшее накопление статистик корреляционных интегралов смеси сигнала с шумом и ожидаемой копии сигнала, преобразует последовательности накопленных статистик в спектры мощности накоплений, например, с помощью преобразования Фурье, и, в режиме обнаружения сигнала производит сравнение накопленных спектров мощности накоплений с порогом обнаружения. Накапливаемые статистики во временной и частотной областях сохраняются в блоке памяти накоплений (8).

Высокая производительность корреляционной обработки в приемнике ГНСС согласно патенту США №7630430 достигается сочетанием цифровой корреляционной обработки в режиме быстрее реального времени пакетов отсчетов сигнала за один такт обработки, распараллеливанием цифровой корреляционной обработки на несколько каналов блока корреляции (6), и использованием переноса последовательностей корреляционных накоплений в частотную область в блоке частотного анализа (7). Оценим достижимую производительность корреляционной обработки приемником ГНСС (смотри Фиг. 1) на следующем примере. Пусть частота дискретизации отсчетов (14) сигналов ГНСС GPS на выходе цифрового преобразователя частоты (4) и, соответственно, частота записи этих отсчетов в составляет 2.048 МГц, а частота считывания пакетов отсчетов (15) из пакетной памяти сигнала (5) и, соответственно, тактовая частота работы блока корреляции (6) составляет 100 МГц. Пусть число параллельных каналов в блоке корреляции (6) равно (12). Пусть размер пакета отсчетов (15) равен 64, и пусть размерность преобразования Фурье в блоке частотной обработки (7), также, равна 64. Тогда, по сравнению с обработкой в режиме реального времени отдельных отсчетов единственным каналом корреляции, коэффициент ускорения цифровой обработки приемником ГНСС (смотри Фиг. 1) можно оценить, как

A=F*P*N*C,

где F - отношение частот записи и считывания пакетной памяти сигнала (5);

Р - размерность пакета отсчетов (15) пакетной памяти сигнала (5);

N - число параллельных каналов в блоке корреляции (6);

С - размерность преобразования Фурье в блоке частотной обработки (7).

При численных значениях коэффициентов приведенных выше для данного примера ускорение цифровой обработки А=2400000. На практике, такое максимальное ускорение недостижимо, поскольку существуют накладные расходы времени на программное управление блоком корреляции (6) со стороны процессора (9). Тем не менее, приведенный пример показывает каким образом достигается высокая производительность цифровой обработки для организации квази-параллельной проверки миллионов гипотез о параметрах обнаруживаемых сигналов ГНСС, что необходимо для обеспечения высокой чувствительности приемника ГНСС, проявляющейся в способности захвата слабых сигналов ГНСС за приемлемое время.

Достигаемая высокая чувствительность приемника ГНСС требует усложнения оборудования: в приемнике используется пакетная память сигнала (5); в блоке корреляции (6) для обработки за один такт пакета отсчетов требуется генератор кода, генерирующий на каждом такте обработки пакет из Р отсчетов копии сигнала; в блоке корреляции (6) для обработки за один такт пакета отсчетов требуется генерация фазы несущей частоты копии сигнала, соответствующей предполагаемому отклонению номинала частоты несущей входного сигнала. В ГНСС GPS все сигналы НИСЗ, излучаемые, например, в диапазоне L1, имеют общее значение номинальной частоты несущей 1575.42 МГц; величина доплеровского сдвига частоты несущей для приземного потребителя ГНСС GPS в диапазоне L1 составляет порядка 5.5 кГц. Если с учетом нестабильности генератора опорной частоты (3) принять общий диапазон неопределенности частоты несущей, равным ±8 кГц, то для приведенного выше числового примера с длиной пакета Р=64 изменение фазы несущей на длине пакета достигает около ±90°. Для удовлетворительной точности генерации фазы несущей опорной копии сигнала достаточно, например, восьми значений фазы на длине пакета, что может быть реализовано сравнительно простой линейной интерполяцией единственного значения фазы.

В российской ГНСС ГЛОНАСС используется частотное разделение сигналов НИСЗ. Значения частоты несущих колебаний сигналов отличаются на величины, кратные 0.5625 МГц: F=(1602+k*0.5625) МГц, где k=(-7, … +6). Недостатком приемника ГНСС согласно патенту США No 7630430 является то, что для приема сигналов ГНСС ГЛОНАСС с частотным разделением для приведенного выше числового примера с длиной пакета Р=64 изменение фазы несущей на длине пакета достигает 45000°, то есть, для каждого отсчета копии сигнала требуется генерировать свое значение фазы несущей, что дополнительно усложняет генератор несущей в блоке корреляции (6).

Другим направлением в повышении чувствительности приемников ГНСС является использование фазированных антенных решеток (ФАР) для повышения мощности - принимаемых сигналов за счет пространственной селекции. Архитектура такого высокочувствительного приемника раскрывается, например, в патенте США №6828935, выданном 7 декабря 2004 года, «Синтезируемая цифровая фазированная антенна с мультилучевым диаграммообразованием для глобального позиционирования». Используются несколько антенн, подключенных к нескольким радиочастотным преобразователям и последующим трактам цифровой обработки сигналов ГНСС, выходы которых объединяются (фазируются в соответствии с расположением антенн относительно направления на НИСЗ, и суммируются) и используются для дальнейшей цифровой обработки. Фазовые соотношения и весовые коэффициенты при суммировании парциальных сигналов от отдельных антенн определяют эффективную диаграмму направленности результирующей фазированной антенной решетки. Диаграммообразование антенных лучей ФАР производится в ходе цифровой обработки. В приемнике в каждом из каналов обработки используется классическая (простая) цифровая обработка, обеспечивающая стандартный уровень чувствительности канала приемника ГНСС. Выигрыш в чувствительности достигается за счет когерентного суммирования сигналов от разных антенн, шумы приемных систем, носящие случайный характер, суммируются при этом некогерентно. Мощность полезного сигнала увеличивается в М² раз, где М - число антенн, а мощность шума в М раз. В результате, отношение сигнал/шум увеличивается в М раз. Недостатком приемника ГНСС согласно патенту США No 6828935 является рост объема оборудования для цифровой обработки сигналов, в первом приближении, пропорционально числу антенн.

В ряде применений приемников ГНСС требуется достижение сверхвысокой чувствительности. Примером может служить использование сигналов ГНСС для определения траекторий космических аппаратов выше орбит ГНСС, где маловероятен прием сигналов, излучаемых через основные лепестки диаграмм направленности антенн их НИСЗ. Например, на геостационарной орбите, высоких эллиптических орбитах и, особенно, в окололунном пространстве. Возникает естественное желание совместить преимущества многоантенного приемника ГНСС согласно патенту США №6828935 и высокочувствительной архитектуры согласно патенту США №7630430. Однако, попытка такого совмещения приводит к увеличению в М раз сравнительно объемного оборудования согласно патенту США No 7630430, что неприемлемо для значительного числа практических применений

Сущность изобретения

Задачей, решаемой заявленным изобретением, является создание архитектуры высокочувствительного мультисистемного приемника ГНСС, совмещающего достоинства, с одной стороны, цифровой обработки сигналов единственным высокопроизводительным коррелятором и, с другой стороны, многоантенной системы, образующей фазированную антенную решетку с диаграммообразованием в ходе цифровой обработки сигналов. При этом, такое совмещение не должно приводить к увеличению объема оборудования, приближающемуся к пропорциональному числу элементов антенной системы.

Еще одной задачей настоящего изобретения является создание компактной архитектуры высокочувствительного мультисистемного приемника ГНСС, осуществляющего обработку сигналов единственным физическим корреляторным каналом в ускоренном времени, включая ГНСС с частотным разделением сигналов, примером которой служит ГНСС ГЛОНАСС

Технический результат заявленного изобретения заключается в достижении повышенной чувствительности, точности и помехозащищенности мультисистемного приемника ГНСС, включая ГНСС с частотным разделением сигналов, например, ГЛОНАСС.

Технический результат заявленного изобретения достигается за счет того, что цифровая обработка сигналов, включая снятие расстройки частотного разделения, осуществляется в ускоренном времени, а также за счет повышения отношения мощности сигналов по отношению к мощности шума и/или помех вследствие цифрового формирования луча диаграммы направленности фазированной антенной решетки.

Технический результат заявленного изобретения достигается за счет того, что приемник сигналов глобальных навигационных спутниковых систем состоит из последовательно соединенных антенного блока, блока уплотнения сигналов, аналогового радиочастотного преобразователя, цифрового преобразователя частоты (ЦПЧ), пакетной памяти сигнала, пакетного тьюнера, блока корреляции и блока частотного анализа, а также генератора опорной частоты, выход которого соединен со входом опорной частоты радиочастотного преобразователя; блока памяти накоплений, вход которого соединен с выходом блока корреляции и входом и выходом блока частотного анализа; процессора с блоком памяти и интерфейсными блоками, вход/выход которого соединен с входом/выходом блока корреляции, блока частотного анализа и блока памяти накоплений цифровой шиной данных; второй вход блока корреляции соединен со вторым выходом пакетной памяти сигналов через генератор кодов разуплотнения; третий выход пакетной памяти сигналов соединен со вторым входом блока уплотнения сигналов; второй вход/выход процессора является внешним информационным входом/выходом приемника.

В частном случае реализации заявленного технического решения антенный блок и аналоговый радиочастотный преобразователь выполнены с возможностью улавливания, усиления и селекции с помощью полосовой фильтрации сигналов и преобразования частоты смеси сигналов и шума к удобному значению промежуточной частоты.

В частном случае реализации заявленного технического решения антенный блок состоит из N антенных элементов с малошумящими усилителями на выходе, при этом выходные сигналы антенных элементов поступают на входы блока уплотнения сигналов.

В частном случае реализации заявленного технического решения в блоке уплотнения сигналов сигналы от антенных элементов подвергаются фазовой манипуляции кодами уплотнения.

В частном случае реализации заявленного технического решения генератор ортогональных кодов выполнен с возможностью формирования ансамбля взаимно ортогональных кодовых последовательностей, предпочтительно, кодов Уолша.

В частном случае реализации заявленного технического решения аналоговый радиочастотный преобразователь выполнен с возможностью использования сигнала от стабильного генератора опорной частоты, при этом выходными сигналами аналогового радиочастотного преобразователя являются преобразованные в цифровую форму выборки смеси сигналов и шума на промежуточной частоте.

В частном случае реализации заявленного технического решения цифровой преобразователь частоты выполнен с возможностью разделения сигналов глобальных навигационных спутниковых систем, передаваемых в разных частотных поддиапазонах и переноса комплексных цифровых отсчетов сигналов глобальных навигационных спутниковых систем на нулевую частоту, при этом цифровой преобразователь частоты выполнен с возможностью осуществления фильтрации сигналов глобальных навигационных спутниковых систем, согласованную с шириной спектра модуляции сигналов, и квантования отфильтрованных сигналов, сохраняя число разрядов представления их отсчетов, предназначенное для хранения в пакетной памяти сигналов, которая выполнена с возможностью сохранения отсчетов сигналов глобальных навигационных спутниковых систем - раздельно для каждого из частотных поддиапазонов - в темпе реального времени и воспроизведения их в виде пакетов отсчетов в ускоренном темпе, согласованном с темпом последующей обработки в блоке корреляции.

В частном случае реализации заявленного технического решения пакетная память сигналов для каждого из частотных поддиапазонов выполнена в виде циклических буферов на базе запоминающего устройства с произвольным доступом, при этом блок корреляции выполнен с возможностью корреляционной обработки отсчетов смеси всех сигналов глобальных навигационных спутниковых систем с шумом в каждом из частотных поддиапазонов.

В частном случае реализации заявленного технического решения выходным сигналом блока корреляции являются накопленные за известное время корреляционные интегралы смеси сигнала с шумом и ожидаемой копии сигнала, при этом блок частотной обработки выполнен с возможностью накопления статистик корреляционных интегралов смеси сигнала с шумом и ожидаемой копии сигнала, преобразует последовательности накопленных статистик в спектры мощности накоплений, и, в режиме обнаружения сигнала сравнения накопленных спектров мощности накоплений с порогом обнаружения при этом накапливаемые статистики во временной и частотной областях сохраняются в блоке памяти накоплений, а блок корреляции выполнен с возможностью поочередной обработки группы отсчетов сигналов в ускоренном времени, коррелируя их с локальными копиями всех сигналов, при этом пакетная память выполнена с возможностью хранения порции входных отсчетов сигналов в течение времени, требуемого для корреляционной обработки всех требуемых навигационных спутников нескольких глобальных навигационных спутниковых систем, при этом результаты корреляционной обработки порций сигнальных отсчетов хранятся в памяти накоплений и повторно используются при возобновлении обработки тех же сигналов.

В частном случае реализации заявленного технического решения управление всеми цифровыми блоками приемника и цифровая обработка накоплений, запомненных в блоке памяти накоплений, а также внешний информационный обмен производятся процессором с блоком памяти и интерфейсными блоками.

В частном случае реализации заявленного технического решения пакетная память выполнена с возможностью сохранения сигналов с частотой дискретизации равной 9 МГц, что соответствует 16-кратной величине разноса частот сигналов ГНСС ГЛОНАСС, а пакетный тьюнер выполнен с возможностью поворота фаз последовательных комплексных отсчетов сигнального пакета на величины, кратные 1/16 фазового цикла.

В частном случае реализации заявленного технического решения пакетная память выполнена с возможностью сохранения сигналов с частотой дискретизации равной 4.5 МГц, что соответствует 8-кратной величине разноса частот сигналов ГНСС ГЛОНАСС, а пакетный тьюнер выполнен с возможностью поворота фаз последовательных комплексных отсчетов сигнального пакета на величины, кратные 1/8 фазового цикла.

В частном случае реализации заявленного технического решения блок частотного анализа включает в себя последовательно соединенные комплексный умножитель, сумматор накоплений, буферный регистр накоплений, блок быстрого преобразования Фурье, блок накопления мощностей и пороговое устройство, при этом второй вход сумматора накоплений соединен с выходом буферного регистра накоплений, и, после заполнения буферного регистра накоплений последовательностью накоплений от первого из плеч блока корреляции, соответствующей первому антенному элементу блока антенного, на комплексный умножитель подается величина угла предвычисленной в процессоре разности фаз между первым и вторым антенными элементами блока антенного; вторая последовательность накоплений от второго из плеч блока корреляции довернутая в комплексном умножителе на величину разности фаз суммируется с первой последовательностью в сумматоре накоплений и вновь помещается в буферный регистр накоплений; цикл доворота фаз и суммирования повторяется для всех последовательностей накоплений от всех плеч блока корреляции, после чего запускается обработка суммарной последовательности блоками быстрого преобразования Фурье, накопления мощностей и пороговым устройством.

Краткое описание чертежей

Детали, признаки, а также преимущества настоящего изобретения следуют из нижеследующего описания вариантов реализации заявленного технического решения с использованием чертежей, на которых показано:

Фиг. 1 - представлена блок-схема примера реализации высокочувствительного приемника ГНСС, характеризующего предшествующий уровень техники.

Фиг. 2 - представлена блок-схема высокочувствительного мультисистемного приемника ГНСС, реализованная в соответствии с предлагаемым изобретением.

Фиг. 3 - представлена функциональная схема реализации антенного блока и блока уплотнения сигналов согласно предлагаемому изобретению.

Фиг. 4 - представлена функциональная схема реализации цифрового преобразователя частоты согласно предлагаемому изобретению.

Фиг. 5 - иллюстрируется принцип поворота фазы квантованных на четыре уровня отсчетов сигнала, представляемого координатами квадратурных I и Q точек на условной фазовой плоскости.

Фиг. 6 - представлена функциональная схема реализации пакетного тюнера частотного разделения сигналов согласно предлагаемому изобретению.

Фиг. 7 - представлена функциональная схема примера реализации 8-отсчетного блока поворота фазы для пакетного тюнера согласно предлагаемому изобретению.

Фиг. 8 - представлена функциональная схема реализации блока корреляции согласно предлагаемому изобретению.

Фиг. 9 - представлена функциональная схема реализации генератора кода согласно предлагаемому изобретению

Фиг. 10 - представлена функциональная схема реализации блока частотного анализа согласно предлагаемому изобретению.

На фигурах обозначены следующие позиции:

1 - антенные элементы; 2 - радиочастотный преобразователь; 3 - генератор опорной частоты; 4 - цифровой преобразователь частоты; 5 - пакетная память сигнала; 6 - блок корреляции; 7 - блок частотного анализа; 8 - блок памяти накоплений; 9 - процессор с блоком памяти и интерфейсными блоками; 10 - интерфейс данных; 11 - «выход генератора опорной частоты»»; 12 - цифровая шина данных; 13 - цифровые отсчеты сигналов; 14 - отсчеты; 15 - пакет отсчетов; 16 - выход блока корреляции; 21 - антенный блок,22 - радиочастотный преобразователь (РЧП); 23 - блок уплотнения сигналов; 24 - цифровой преобразователь частоты (ЦПЧ); 25 - пакетная память сигналов; 26 - блок корреляции; 27 - генератор кодов разуплотнения; 28 - пакетный тюнер; 29 - выходные сигналы антенных элементов; 30 - «выход блока уплотнения сигналов»»; 31 - «преобразованные в цифровую форму выборки смеси сигналов и шума на ПЧ»; 32 - «отфильтрованные сигналы на нулевой частоте»; 33 - пакеты отсчетов; 34 - довернутые по фазе пакеты отсчетов; 35 - второй вход блока уплотнения сигналов; 36 - коды разуплотнения; 37 - второй выход пакетной памяти сигналов; 38 - блок частотного анализа; 39 - фазовращатели; 40 - СВЧ коммутаторы; 41 - генератор ортогональных кодов; 42 - СВЧ сумматор; 43 - цифровые смесители; 44 - генераторами ПЧ; 45 - конечная импульсная характеристика (КИХ); 46 - блоки ресамплер; 47 - квантователь; 49 - блок частотного анализа; 50 - набор управляющих констант; 51 - фаза; 52 - управляющая константа; 53 - блок; 54 - блок; 55 - блок; 56 - дополнительный двоичный код; 60 - смеситель кода; 62 - смеситель несущей плеч; 63 - квадратурный накопитель; 64 - демодулятор; 65 - генератора кода; 66 - генератор частоты кода; 67 - генератора несущей; 68 - выходы генератора кода 65; 69 - Целосимвольное значение фазы (69) кода;; 70 - Дробное значение фазы (70) символа кода; 71 - генератор пакета кодовых символов; 72 - мультиплексор отсчетов кода; 73 - пакеты отсчетов кода; 75 -комплексный умножитель; 76 - сумматор накоплений; 77 - буферный регистр накоплений; 78 - блок БПФ; 79 - блок накопления мощностей; 80 - пороговое устройство.

Раскрытие изобретения

Сущность изобретения заключается в том, что приемник ГНСС состоит из последовательно соединенных антенного блока, блока уплотнения сигналов, аналогового радиочастотного преобразователя (РЧП), цифрового преобразователя частоты (ЦПЧ), пакетной памяти сигнала, пакетного тьюнера, блока корреляции и блока частотного анализа, а также генератора опорной частоты, выход которого соединен со входом опорной частоты радиочастотного преобразователя; блока памяти накоплений, вход которого соединен с выходом блока корреляции и входом и выходом блока частотного анализа; процессора с блоком памяти и интерфейсными блоками, вход/выход которого соединен с входом/выходом блока корреляции, блока частотного анализа и блока памяти накоплений цифровой шиной данных; второй вход блока корреляции соединен со вторым выходом пакетной памяти сигналов через генератор кодов разуплотнения; третий выход пакетной памяти сигналов соединен со вторым входом блока уплотнения сигналов; второй вход/выход процессора является внешним информационным входом/выходом приемника.

Антенный блок и РЧП улавливают, усиливают, селектируют (с помощью полосовой фильтрации) сигналы и преобразуют частоту смеси сигналов и шума к удобному значению промежуточной частоты (ПЧ). При этом РЧП использует сигнал от стабильного генератора опорной частоты. Выходными сигналами РЧП служат преобразованные в цифровую форму выборки смеси сигналов и шума на ПЧ.

Цифровой преобразователь частоты разделяет сигналы ГНСС, передаваемые в разных частотных поддиапазонах (например, в диапазоне L1: GPS, Galileo, QZSS, IRNSS, а также SBAS - на частоте 1575.42 МГц; Бейдоу - на частоте 1561.098 МГц; ГЛОНАСС -на частотах от 1598.0625 до 1605.375 МГц) и переносит комплексные цифровые отсчеты сигналов ГНСС на нулевую (приблизительно) частоту, осуществляет фильтрацию сигналов ГНСС, согласованную с шириной спектра модуляции сигналов, что позволяет в дальнейшем использовать минимальное значение частоты дискретизации сигналов, и квантует отфильтрованные сигналы, сохраняя число разрядов представления их отсчетов, предназначенное для хранения в пакетной памяти сигналов, которая сохраняет отсчеты сигналов ГНСС - раздельно для каждого из частотных поддиапазонов - в темпе реального времени и воспроизводит их в виде пакетов отсчетов в ускоренном темпе, согласованном с темпом последующей обработки в блоке корреляции. Пакетная память сигналов строится, например, в виде циклических буферов (для каждого из частотных поддиапазонов) на базе запоминающего устройства с произвольным доступом. Блок корреляции осуществляет корреляционную обработку отсчетов смеси сигналов ГНСС с шумом.

Выходным сигналом блока корреляции являются накопленные за известное время корреляционные интегралы смеси сигнала с шумом и ожидаемой копии сигнала. Блок частотной обработки производит дальнейшее накопление статистик корреляционных интегралов смеси сигнала с шумом и ожидаемой копии сигнала, преобразует последовательности накопленных статистик в спектры мощности накоплений, например, с помощью преобразования Фурье, и, в режиме обнаружения сигнала производит сравнение накопленных спектров мощности накоплений с порогом обнаружения. Накапливаемые статистики во временной и частотной областях сохраняются в блоке памяти накоплений. Блок корреляции поочередно обрабатывает группы отсчетов сигналов в ускоренном времени, коррелируя их с локальными копиями всех сигналов. Порции входных отсчетов хранятся в пакетной памяти сигналов в течение времени, требуемого для корреляционной обработки всех требуемых НИСЗ нескольких ГНСС. Результаты корреляционной обработки порций сигнальных отсчетов хранятся в специальной памяти накоплений и повторно используются при возобновлении обработки тех же сигналов. Тем самым, реализуется обработка сигналов блоком корреляции в ускоренном времени так, как будто бы она производилась большим числом виртуальных каналов в реальном времени. Управление всеми цифровыми блоками приемника и цифровая обработка накоплений, запомненных в блоке памяти накоплений, а также внешний информационный обмен производятся процессором с блоком памяти и интерфейсными блоками.

Новизна предлагаемого технического решения заключается в том, что на выходе антенного блока (21), содержащего пространственно разнесенные антенные элементы (1), выходные сигналы элементов подвергаются уплотнению в блоке уплотнения сигналов, то есть, модулируются взаимно ортогональными кодовыми последовательностями и суммируются. Суммарный сигнал усиливается, селектируется, оцифровывается, преобразуется и хранится в виде пакетов отсчетов, проходя через единый тракт, состоящий из радиочастотного преобразователя, цифрового преобразователя сигналов, пакетной памяти сигналов и пакетного тюнера. При этом число линеек тракта блоков цифрового преобразователя сигналов и пакетной памяти сигналов равно числу частотных поддиапазонов мультисистемной ГНСС. Единственность тракта обработки уплотненных сигналов антенных элементов обеспечивает экономию оборудования для построения приемника ГНСС. Пакеты отсчетов сигналов с выхода пакетного тюнера в блоке корреляции проходят демодуляцию кодовыми последовательностями, поступающими из генератора кодов разуплотнения, соответствующими использованным в блоке уплотнения сигналов для того или иного антенного элемента, чтобы в текущем цикле цифровой обработки сигнала выбирать в качестве входных пакеты отсчетов сигнала с требуемых антенных элементов. Работа блока уплотнения сигналов синхронизирована с темпом записи пакетов сигнальных отсчетов в пакетную память сигналов, а работа генератора кодов разуплотнения синхронизирована с темпом чтения пакетов сигнальных отсчетов из пакетной памяти сигналов.

Другая составляющая новизны предлагаемого технического решения заключается в том, что между первым выходом пакетной памяти сигналов и входом блока корреляции включен цифровой пакетный тюнер, преобразующий частоты несущих колебаний сигналов ГЛОНАСС к близким к нулю значениям. Предложенный специальный выбор частоты дискретизации квантованных сигналов ГЛОНАСС обеспечивает простую цифровую реализацию пакетного тюнера и сохраняет простое построение блока корреляции при пакетной цифровой обработке сигналов ГНСС ГЛОНАСС с частотным разделением сигналов.

Предлагаемый высокочувствительный приемник сигналов ГНСС в предпочтительной реализации включает в себя (фиг. 2) последовательно соединенные антенный блок (21), блок уплотнения сигналов (23), радиочастотный преобразователь (РЧП) (22), цифровой преобразователь частоты (ЦПЧ) (24), пакетная память сигналов (25), пакетный тюнер (28), блок корреляции (26) и блок частотного анализа (38), а также генератор опорной частоты (3), выход (11) которого соединен со входом опорной частоты радиочастотного преобразователя (22); блок памяти накоплений (8), вход которого соединен с выходом (16) блока корреляции (26) и входом и выходом блока частотного анализа (38); процессор с блоком памяти и интерфейсными блоками (9), вход/выход которого соединен с входом/выходом блока корреляции (26), блока частотного анализа (38) и блока памяти накоплений (8) цифровой шиной данных (12); второй вход блока корреляции (36) соединен со вторым выходом (37) пакетной памяти сигналов (25) через генератор кодов разуплотнения (27); второй вход (35) блока уплотнения сигналов (23) соединен с третьим выходом пакетной памяти сигналов (25), а второй вход/выход процессора (9) является внешним информационным входом/выходом (10) приемника.

Антенный блок (21) в предпочтительном варианте реализации (смотри фиг. 3) состоит из N антенных элементов (1), предпочтительно, имеющих на выходе малошумящие усилители. Выходные сигналы (29) антенных элементов поступают на входы блока уплотнения сигналов (23), предпочтительный вариант построения которого, также, представлен на фиг. 3. В блоке уплотнения сигналов (23) сигналы от антенных элементов подвергаются фазовой манипуляции кодами уплотнения. Генератор ортогональных кодов (41) формирует ансамбль взаимно ортогональных кодовых последовательностей, предпочтительно, кодов Уолша.

Сигналы (29) от антенных элементов (1), проходя через фазовращатели (39), приобретают фазовый сдвиг 180°. СВЧ коммутаторы (40), в зависимости от поступающих на них значений кодов уплотнения, пропускают сигналы (29) от антенных элементов (1) либо с первоначальной, либо с перевернутой фазой на входы СВЧ сумматора (42), выход которого является выходом (30) блока уплотнения сигналов (23). Фазовращатели (39) и СВЧ сумматор (42) на радиочастоте ГНСС в предпочтительном варианте могут исполняться в виде микрополосковых структур на диэлектрической подложке. В качестве СВЧ коммутаторов (40) могут использоваться, например, PIN-диоды. Генератор ортогональных кодов (41) реализуется на элементах цифровой схемотехники и его работа синхронизируется с моментами записи в пакетную память сигналов (25) через вход (35).

Результирующий сигнал с выхода (30) блока уплотнения сигналов (23) в радиочастотном преобразователе (22) усиливается, селектируются (с помощью полосовой фильтрации) и преобразуется к удобному значению промежуточной частоты (ПЧ), При этом РЧП (22) использует выход (11) генератора опорной частоты (3). Выходными сигналами РЧП (22) служат преобразованные в цифровую форму выборки (31) смеси сигналов и шума на ПЧ. В мультисистемном приемнике ГНСС в качестве РЧП 22 может использоваться как единственный широкополосный РЧП, так и отдельные узкополосные РЧП по числу частотных поддиапазонов ГНСС. Частота дискретизации преобразованных в цифровую форму выборок (31) смеси сигналов и шума на ПЧ согласована с шириной спектра сигналов.

Цифровой преобразователь частоты (ЦПЧ) (24) разделяет сигналы ГНСС, передаваемые в разных частотных поддиапазонах (например, в диапазоне L1: GPS, Galileo, QZSS, IRNSS, а также SBAS - на частоте 1575.42 МГц; Бейдоу - на частоте 1561.098 МГц; ГЛОНАСС - на частотах от 1598.0625 до 1605.375 МГц) и переносит комплексные преобразованные в цифровую форму выборки (31) на ПЧ смеси сигналов и шума на нулевую (приблизительно) частоту, осуществляет фильтрацию сигналов ГНСС, согласованную с шириной спектра модуляции сигналов, что позволяет в дальнейшем использовать минимальное значение частоты дискретизации сигналов, и квантует отфильтрованные сигналы (32) на нулевой частоте, сохраняя число разрядов представления их отсчетов, предназначенное для хранения в блоке пакетной памяти сигналов (25).

В предпочтительной реализации (смотри фиг.4), цифровой преобразователь частоты (24) состоит из линеек преобразования по числу частотных поддиапазонов ГНСС. Выборки (31) смеси сигналов и шума на ПЧ цифровыми смесителями (43) переносятся на частоту, близкую к нулевой. Гетеродинные сигналы формируются генераторами ПЧ (44), реализованными на схемотехнике широко распространенных цифровых модуляторов частоты.

На частоте, близкой к нулевой, сигналы ограничиваются по ширине спектра цифровыми фильтрами нижних частот (ФНЧ) с конечной импульсной характеристикой (КИХ) (45).

В блоках ресамплер (46) частота дискретизации сигнальных отсчетов понижается до согласованной с их спектром после ФНЧ КИХ (45) с целью сокращения потребного объема пакетной памяти сигналов (25). Ресамплер (46) предпочтительно строится на основе интерполяции сигнальных отсчетов. В ФНЧ КИХ (45) и ресамплере (46) ведется обработка многоразрядных отсчетов сигнала. Квантователь (47) с целью сокращения потребного объема пакетной памяти сигналов (25) производит ограничение числа разрядов отфильтрованных сигналов (32) на нулевой частоте. В предпочтительных вариантах реализации разрядность отфильтрованных сигналов (32) на нулевой частоте составляет один или два разряда.

В другом предпочтительном варианте реализации ЦПЧ (24), вместо одной линейки преобразования сигналов ГНСС ГЛОНАСС, имеющих суммарную ширину спектра (считая по первому нулю спектра поднесущей М-последовательности) сигналов на четырнадцати частотах порядка 8.3 МГц, могут использоваться, например, две линейки с центральной настройкой на частоты -4 и +3, соответственно, и шириной полосы каждой из двух линеек порядка 4.4 МГц. Первая линейка предназначена для приема сигналов ГНСС ГЛОНАСС с номерами -7 … -1, а вторая - для приема сигналов с номерами 0 … +6.

Пакетная память сигналов (25) сохраняет отсчеты отфильтрованных сигналов (32) на нулевой частоте - раздельно для каждого из частотных поддиапазонов ГНСС - в темпе реального времени и воспроизводит их в виде пакетов отсчетов (33) в ускоренном темпе, равном темпу последующей обработки в пакетном тюнере (28) и блоке корреляции (26). Пакетная память сигналов (25) в предпочтительном варианте реализации строится в виде циклических буферов (для каждого из частотных поддиапазонов) на базе ЗУ с произвольным доступом.

Размер пакета отсчетов может достигать - с учетом удобных для реализации ЗУ размеров, кратных степеням двойки - шестидесяти четырех, ста двадцати восьми, и более пар квадратурных I и Q отсчетов отфильтрованных сигналов (32) на нулевой частоте. Разрядность пакетов отсчетов, хранимых в пакетной памяти сигналов (25), выбирается на основе компромисса между объемом оборудования, потребного для хранения отсчетов с большой разрядностью, и потерями корреляционной обработки сигналов, возникающими при использовании малоразрядных отсчетов сигналов. На практике, наиболее употребительными для хранения отфильтрованных сигналов (32) на нулевой частоте являются длины один или два разряда, которые вызывают потери в отношении сигнал/шум при корреляционной обработке порядка 1.5 дБ и 0.5 дБ, соответственно.

В другом варианте реализации пакетная память сигналов (25) может строиться в виде парных банков памяти, поочередно подключаемых на запись пакетов отсчетов отфильтрованных сигналов (32) на нулевой частоте в реальном времени и чтение пакетов отсчетов (33) в ускоренном времени. Синхросигнал (35) пакетной памяти отсчетов (25), соответствующий началу записи пакета отсчетов, поступает в блок уплотнения сигналов (23), где, с учетом времени задержки в тракте обработки РЧП (22) и ЦПЧ (24), используется для привязки фазы кодов уплотнения к границам пакетов сигнала, записываемых в пакетную память сигналов (25), с целью упрощения последующего разуплотнения сигналов в процессе корреляционной обработки.

Функция генератора кодов разуплотнения (27), с учетом привязки фазы кодов уплотнения к границам пакетов отфильтрованных сигналов на нулевой частоте (32) и, соответственно, пакетов отсчетов (33), сводится к хранению и выдаче в блок корреляции (26) констант (36), описывающих уплотняющие кодовые последовательности. В предпочтительном варианте реализации, генератор кодов разуплотнения (27) строится на базе постоянного запоминающего устройства, считывание из которого синхронизировано сигналом (37) считывания пакетов отсчетов (33) из пакетной памяти сигналов (25).

Использование в составе предлагаемого изобретения комбинации блока уплотнения сигналов (23) и генератора кодов разуплотнения (27) с окончательным разуплотнением сигналов в процессе корреляционной обработки позволяет осуществить обработку сигналов от множества разнесенных антенных элементов (1) в единственном тракте РЧП (22), ЦПЧ (24), пакетная память сигналов (25) и пакетный тьюнер (28), что сокращает объем используемого оборудования.

В предпочтительном варианте построения пакетного тюнера (28) малоразрядных квадратурных отсчетов из пакета отсчетов (33) сигналов ГНСС, используется согласованный поворот фазы последовательных пар I и Q отсчетов сигналов из пакета отсчетов (33) на угол, соответствующий изменению фазы под действием частоты смещения настройки. Требуемые значения смещения частоты настройки соответствуют принятому в ГНСС ГЛОНАСС шагу расстройки частотного разделения, равному 0.5625 МГц=9/16 МГц.

При выборе частоты дискретизации сигналов ГЛОНАСС, равной, например, 9 МГц, смещению номера частоты настройки пакетного тюнера (28) на единицу соответствует доворот фазы каждой последующей пары I и Q отсчетов сигналов из пакета отсчетов (33) на угол 1/16 цикла, то есть, 22.5°. Аналогично, при выборе частоты дискретизации, равной 4.5 МГц, доворот фазы каждой последующей пары I и Q отсчетов сигналов из пакета отсчетов (33) должен производиться на угол 1/8 цикла, то есть, 45°.

Принцип работы пакетного тюнера (28) для случая проквантованных на четыре уровня (разряды MAG и SIGN) сигналов проиллюстрирован на фиг. 5. Пунктирными линиями обозначены уровни квантования I и Q отсчетов: -3, -1, +1, +3. Узлам на пересечении уровней квантования соответствуют шестнадцать возможных значений пар I и Q отсчетов. Отсчеты внешнего «кольца» пронумерованы цифрами от 1 до 12 и обозначены полыми кружками. Отсчеты внутреннего «кольца» пронумерованы цифрами от 1 до 4 и обозначены сплошными кружками. Для использования в качестве значений довернутых по фазе пакетов отсчетов (34), квантуемых на 5 уровней (-3, -1, 0, +1, +3) двоичного дополнительного кода, на фиг. 5 добавлены точки, Х1...Х8 на пересечениях пунктирных линий с нулевыми уровнями осей I и Q.

При частоте дискретизации 4.5 МГц, доворот каждой последующей пары отсчетов на величину кратную 45° приводит к однозначному смещению настройки по частоте в диапазоне ±3 шага частотного разделения сигналов ГНСС ГЛОНАСС. Значения фазовых углов, на которые доворачиваются пары I и Q отсчетов при любой настройке (-3 … +3) на сигнал ГНСС ГЛОНАСС повторяются через восемь отсчетов.

Аналогично, при частоте дискретизаци 9.0 МГц, доворот каждой последующей пары I и Q отсчетов на величину кратную 22.5° приводит к однозначному смещению настройки по частоте в диапазоне ±7 шагов частотного разделения сигналов ГНСС ГЛОНАСС, а значения фазовых углов, на которые доворачиваются пары I и Q отсчетов при любой настройке (-7 … +7) на сигнал ГНСС ГЛОНАСС повторяется через шестнадцать отсчетов.

На фиг. 6 представлена блок-схема предпочтительной реализации пакетного тюнера (28) для случая длины пакета, равной шестидесяти четырем парам входных I и Q отсчетов сигнала из пакета отсчетов (33) при частоте дискретизации 4.5 МГц. Пакетный тюнер (28) содержит 8 идентичных блоков поворота фазы (51), каждый служит для преобразования восьми пар I и Q отсчетов сигнала из пакета отсчетов (33) в пары I и Q довернутых по фазе пакетов отсчетов (34). Фазовые углы поворота для блоков поворота фазы (51) определяются подачей управляющей константы (52) из набора управляющих констант Ai=А…А7 (50). Константа 52 (одна из семи) выбирается в зависимости от требуемого номера частоты 12 относительно центральной частоты поддиапазона (-3, -2, -1, 0, +1, +2, +3) ГНСС ГЛОНАСС.

На фиг. 7 представлена блок-схема предпочтительной реализации блока поворота фазы (51) для случая частоты дискретизации 4.5 МГц. Блок поворота фазы (51) преобразует 8 квадратурных пар отсчетов из пакета отсчетов (33) (Отсчет 0 … Отсчет 7) в пары I и Q отсчетов довернутых по фазе пакетов отсчетов (34) по принципу, проиллюстрированному на фиг. 5. Отсчеты из пакета отсчетов (33) квантованы на четыре уровня с весами -3, -1, +1, +3. Общим для обработки всех восьми отсчетов в блоке поворота фазы (51) является то, что каждый из восьми перед выдачей преобразуется в дополнительный двоичный код (ДДК) со значениями -3, -1, 0, +1, +3, что происходит в блоках преобразования в ДДК (56), на входы которых отсчеты поступают после прохождения через блоки изменения фаз отсчетов, на фиг. 7 обозначенных как Поворот 0°⎪180° (блок 53), Поворот 0°⎪90° (блок 54) и Поворот 0°⎪45° (блок 55). В зависимости от поступающей управляющей константы Ai (сигнал 52), блок (53) Поворот 0°⎪180° либо производит поворот отсчета на 180°, либо сохраняет отсчет неизменным. При избранной кодировке отсчетов из пакета отсчетов (33) поворот отсчета на 180° производится инвертированием разряда SIGN отсчетов I и Q. Аналогично, блок (54) Поворот 0°⎪90° в зависимости от поступающей управляющей константы Ai (сигнал 52), либо производит поворот отсчета на 90°, либо сохраняет отсчет неизменным. При избранной кодировке отсчетов поворот на 90° производится по правилу I = Q, Q = -I. Блок (55) Поворот 0°⎪45° в зависимости от поступающей управляющей константы Ai (сигнал 52), либо производит поворот отсчета на 45°, либо сохраняет отсчет неизменным. Реализация поворота на 45°, предпочтительно, производится табличным путем, имея в виду, что, как это проиллюстрировано на фиг. 5, повороту на 45° соответствует перемещение по внешнему кольцу отсчетов на фазовой плоскости на две позиции с учетом добавленных точек Х1…Х8. Таблица, реализующая блок 54 Поворот 0°⎪45°, может быть совмещена с таблицей, реализующей преобразование в ДДК (56).

Дальнейшее сокращение оборудования блока поворота фазы (51) обусловлено отсутствием необходимости в некоторых из блоков поворота фазы для тех или иных номеров отсчетов.

Отсчет 0 блока поворота фазы (51) не содержит блоков (53), (54) и (55) поворота фазы отсчета. Отсчеты 2 и 6 не содержат блоков (55) поворота фазы отсчета. Отсчет 4 блока поворота фазы (51) не содержит блоков (54) и (55) поворота фазы отсчета.

Таким образом, благодаря специальному выбору частоты дискретизации сигналов в предлагаемом изобретении удается обеспечить цифровую пакетную обработку сигналов ГНСС ГЛОНАСС с помощью пакетного тюнера (28), построенного на простых логических схемах без использования полноценных смесителей сигналов для каждого из отсчетов пакета, что сокращает объем используемого оборудования.

Блок корреляции (26) осуществляет корреляционную обработку довернутых по фазе пакетов отсчетов (34) смеси сигналов ГНСС с шумом. Выходным сигналом (16) блока корреляции (26) являются накопленные за известное время корреляционные интегралы смеси сигнала с шумом и ожидаемой копии сигнала. Блок частотного анализа (38) производит дальнейшее накопление статистик (16) корреляционных интегралов смеси сигнала с шумом и ожидаемой копии сигнала, преобразует последовательности накопленных статистик в спектры мощности накоплений, например, с помощью преобразования Фурье, и, в режиме обнаружения сигнала производит сравнение накопленных спектров мощности накоплений с порогом обнаружения. Накапливаемые статистики (16) во временной и частотной областях сохраняются в блоке памяти накоплений (8). Блок корреляции поочередно обрабатывает группы довернутых по фазе пакетов отсчетов (34) в ускоренном времени, коррелируя их с локальными копиями всех сигналов. Порции пакетов отсчетов (33) хранятся в пакетной памяти сигналов (25) в течение времени, требуемого для корреляционной обработки всех требуемых НИСЗ нескольких ГНСС. Результаты корреляционной обработки порций сигнальных отсчетов (16) хранятся в специальной памяти накоплений (8) и повторно используются при возобновлении обработки тех же сигналов. Тем самым, реализуется обработка сигналов блоком корреляции (26) в ускоренном времени так, как будто бы она производилась большим числом виртуальных каналов в реальном времени. Управление всеми цифровыми блоками приемника и цифровая обработка накоплений, запомненых в блоке памяти накоплений (8), а также внешний информационный обмен производятся процессором с блоком памяти и интерфейсными блоками (9).

В предпочтительном варианте реализации согласно предлагаемому изобретению блок корреляции (26) состоит (смотри фиг. 8) из единственных генератора частоты кода 66, генератора кода (65), генератора несущей 67, и N плеч корреляции: Плечо 1, Плечо 2, … Плечо N. Число N может совпадать с числом антенных элементов (1) блока антенного (21).

Каждое плечо 1…N состоит из последовательно соединенных демодулятора (64), смесителя кода (60), смесителя несущей (62) и квадратурного накопителя (63). Входы смесителей кода (60) всех плеч (Плечо 1, Плечо 2, … Плечо N) являются довернутыми по фазе пакетами отсчетов (34) входной смеси сигналов и шума, прошедшими пакетный тьюнер (28). Выходы (16) квадратурных накопителей (63) являются выходами блока корреляции (26).

Первые входы демодуляторов (64) плеч соединены с выходами (68) генератора кода (65), а входы смесителей несущей (62) плеч соединены с выходом генератора несущей (67).

Генератор несущей (67) и генератор частоты кода (66) в предпочтительной реализации предлагаемого изобретения выполняются как цифровые модуляторы частоты. Целосимвольное значение фазы (69) кода на начало очередного пакета отсчетов локальной копии сигнала для первого плеча (Плечо 1) с выхода генератора частоты кода (66) поступает на первый вход генератора кода (65) и определяет отрезок символов кода для формирования выходов (68) генератора кода (65).

Дробное значение фазы (70) символа кода на начало очередного пакета отсчетов локальной копии сигнала для первого плеча (Плечо 1) с выхода генератора частоты кода (66) поступает на второй вход генератора кода (65) и позволяет для каждого из выходов (68) генератора кода (65) назначить корректный номер символа кода.

Предпочтительная реализация генератора кода (56)представлена на фиг. 9. Генератор пакета кодовых символов (71) предпочтительно реализован на базе постоянного запоминающего устройства, хранящего все кодовые последовательности сигналов ГНСС, и формирует пакет символов кода в соответствии с целосимвольным значением фазы кода (69) на начало очередного пакета отсчетов локальной копии сигнала для первого плеча (Плечо 1).

Мультиплексор отсчетов кода (72) для каждого из генерируемых отсчетов пакета локальной копии сигнала для первого плеча (Плечо 1) выходов (68) генератора кода (65) назначает корректный номер символа кода в соответствии с дробным значением фазы (69) символа кода. Пакеты отсчетов локальной копии сигнала для остальных плеч 2…N выходов (68) генератора кода (65) формируются упрощенно в формирователе N-1 сдвинутых пакетов отсчетов кода 73, то есть, как задержанные на целое число тактов частоты дискретизации.

Вторые входы демодуляторов (64) (см. фиг.8) соединены с выходами генератора кодов разуплотнения (27). Демодуляторы (64), домножая пакеты отсчетов локальной копии сигнала, формируемые генератором кода (65) для того или иного плеча блока корреляции (26), на коды разуплотнения (36), настраивают это плечо (Плечо 1, Плечо 2, … Плечо N) для обработки сигнала от соответствующего антенного элемента (1) блока антенного (21). Возможна реализация двух (как минимум) режимов организации циклов обработки сигналов в блоке корреляции (26).

В первом - режиме обработки сильного сигнала - плечи (Плечо 1, Плечо 2, … Плечо N) производят корреляционную обработку сигнала от единственного антенного элемента (1) блока антенного (21), коррелируя его с N смещенными по задержке выходами (68) генератора кода (65). Во втором - режиме обработки слабого сигнала - плечи (Плечо 1, Плечо 2, … Плечо N) производят корреляционную обработку сигналов от N антенных элементов (1) блока антенного (21), коррелируя их с одной общей версией выхода (68) генератора кода (65)

Реализация анизатропности, или, иначе, направленных свойств антенной системы, то есть диграммообразование цифровой фазированной антенной решетки (ЦАР) в предпочтительной реализации предлагаемого изобретения осуществляется в ходе исполнения программ процессором (9), которые производят взвешенное когерентное суммирование корреляционных накоплений, хранящихся в блоке памяти накоплений, по сигналам от разных элементов (1) блока антенного (21). Такая организация диграммообразования ЦАР может быть вполне приемлемой с точки зрения нагрузки на процессор (9) для режима слежения за сигналами ГНСС, когда длительность когерентных накоплений сравнительно велика и достигает величины длительности информационных символов, например, 20 миллисекунд. В режиме обнаружения слабых сигналов ГНСС длительность когерентных накоплений, обычно, существенно короче и может составлять десятки микросекунд. В этом случае, взвешенное когерентное суммирование корреляционных накоплений должно производиться многократно чаще и программная реализация диграммообразования ЦАР предъявляет высокие требования к производительности процессора (9), что, в ряде случаев, неприемлемо.

В другой предпочтительной реализации предлагаемого изобретения для диграммообразования ЦАР используется аппаратная поддержка ресурсами блока частотного анализа (38), устройство которого представлено на фиг. 10. Блок частотного анализа (38) включает в себя последовательно соединенные комплексный умножитель (75), сумматор накоплений (76), буферный регистр накоплений (77), блок быстрого преобразования Фурье (БПФ) (78), блок накопления мощностей (79) и пороговое устройство (80). Входом блока частотного анализа (38), соединенным со вторыми входами буферного регистра накоплений (77) и комплексного умножителя (75), служат когерентные корреляционные накопления (16) сигналов ГНСС, поступающие из блока корреляции (26) и/или блока памяти накоплений (8).

Второй вход сумматора накоплений (76) соединен с выходом буферного регистра накоплений (77). Выходами блока частотного анализа (38) являются выход блока БПФ (78) частотных спектров (16), и блока накопления мощностей (79) накопленных частотных спектров (16), поступающих в блок памяти накоплений (8). Входами/выходами (12) блока частотного анализа (38), также, являются входы/выходы блока БПФ (78) частотных спектров (16), и блока накопления мощностей (79) накопленных частотных спектров (16), поступающих в/из процессора (9). Накопленные частотные спектры корреляционных накоплений сравниваются с порогом обнаружения в пороговом устройстве (80), вход/выход (12) которого также является входом/выходом блока частотного анализа (38), соединяемым с процессором (9). В режиме обработки сильных сигналов, буферный регистр накоплений (77) заполняется последовательностью накоплений (16) от одного из плеч блока корреляции (26), запускается обработка этой последовательности блоками БПФ (78), накопления мощностей (79) и пороговым устройством (80), и, по мере освобождения буферного регистра накоплений (77), он заполняется новой последовательностью накоплений (16) от следующего из плеч блока корреляции (26); процесс продолжается до завершения обработки последовательностей накоплений (16) от всех плеч блока корреляции (26). В режиме обработки слабых сигналов с аппаратным диаграммообразованием ЦАР, после заполнения буферного регистра накоплений (77) последовательностью накоплений (16) от первого из плеч блока корреляции (26), соответствующей первому антенному элементу (1) блока антенного (21), на комплексный умножитель (75) подается величина угла предвычисленной в процессоре (9) разности фаз между первым и вторым антенными элементами (1) блока антенного (21). Вторая последовательность накоплений (16) от второго из плеч блока корреляции (26) довернутая в комплексном умножителе (75) на величину разности фаз суммируется с первой последовательностью в сумматоре накоплений (76) и вновь помещается в буферный регистр накоплений (77). Цикл доворота фаз и суммирования повторяется для всех последовательностей накоплений (16) от всех плеч блока корреляции (26), после чего запускается обработка суммарной последовательности блоками БПФ (78), накопления мощностей (79) и пороговым устройством (80).

Таким образом, в предлагаемом изобретении совмещены возможности реализации высокой чувствительности мультисистемного приемника ГНСС, включая ГНСС с частотным разделением сигналов ГЛОНАСС, с помощью высокопараллельной пакетной цифровой обработки сигналов в ускоренном времени, и с помощью повышения отношения сигнал/шум цифровой фазированной антенной решеткой (ЦАР) без увеличения объема оборудования, пропорционального числу элементов ЦАР. Кроме того, за счет использования в предлагаемом изобретении ЦАР, повышается точность местоопределений с помощью приемника ГНСС вследствие двойного эффекта: во-первых, повышения отношения сигнал/шум и, соответственно, сокращения погрешностей ошибок измерителей навигационных параметров; во-вторых, пространственной селекции прямых лучей радиосигналов ГНСС и ослабления отраженных, что приводит к уменьшению погрешностей многолучевого распространения сигналов. Следует отметить, что использование ЦАР позволяет также повысить устойчивость приемника ГНСС к воздействию естественных и организованных помех, если при диаграммообразовании ЦАР использовать алгоритмы рассчета коэффициентов взвешенного суммирования сигналов от антенных элементов, минимизирующие усиление ЦАР в направлении прихода помехи.

Изобретение может быть использовано, в частности, в такой области радионавигации, как построение мультисистемных приемников глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС), работающих в условиях затрудненного приема сигналов. Особо значимым может являться использование изобретения для определения траекторий космических аппаратов выше орбит ГНСС, например, на геостационарной орбите, высоких эллиптических орбитах и, особенно, в окололунном пространстве. Изобретение может быть использовано, также, и для построения мультисистемных приемников ГНСС высокой точности и высокой помехозащищенности.

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к области радионавигации, и может быть использовано при построении приемников Глобальных Навигационных Спутниковых Систем (ГНСС)., Достигаемый технический результат – повышение чувствительности, точности и помехозащищенности мультисистемного приемника ГНСС. Указанный результат достигается за счет того, что приемник состоит из последовательно соединенных антенного блока, блока уплотнения сигналов, аналогового радиочастотного преобразователя, цифрового преобразователя частоты, пакетной памяти сигнала, пакетного тюнера, блока корреляции и блока частотного анализа, а также генератора опорной частоты, выход которого соединен со входом опорной частоты радиочастотного преобразователя; блока памяти накоплений, вход которого соединен с выходом блока корреляции и входом и выходом блока частотного анализа; процессора с блоком памяти и интерфейсными блоками, вход/выход которого соединен с входом/выходом блока корреляции, блока частотного анализа и блока памяти накоплений цифровой шиной данных; второй вход блока корреляции соединен со вторым выходом пакетной памяти сигналов через генератор кодов разуплотнения; третий выход пакетной памяти сигналов соединен со вторым входом блока уплотнения сигналов; второй вход/выход процессора является внешним информационным входом/выходом приемника. 12 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Приемник сигналов глобальных навигационных спутниковых систем состоит из последовательно соединенных антенного блока, блока уплотнения сигналов, аналогового радиочастотного преобразователя, цифрового преобразователя частоты (ЦПЧ), пакетной памяти сигнала, пакетного тюнера, блока корреляции и блока частотного анализа, а также генератора опорной частоты, выход которого соединен со входом опорной частоты радиочастотного преобразователя; блока памяти накоплений, вход которого соединен с выходом блока корреляции и входом и выходом блока частотного анализа; процессора с блоком памяти и интерфейсными блоками, вход/выход которого соединен с входом/выходом блока корреляции, блока частотного анализа и блока памяти накоплений цифровой шиной данных; второй вход блока корреляции соединен со вторым выходом пакетной памяти сигналов через генератор кодов разуплотнения; третий выход пакетной памяти сигналов соединен со вторым входом блока уплотнения сигналов; второй вход/выход процессора является внешним информационным входом/выходом приемника.

2. Приемник по п. 1, отличающийся тем, что антенный блок и аналоговый радиочастотный преобразователь выполнены с возможностью улавливания, усиления и селекции с помощью полосовой фильтрации сигналов и преобразования частоты смеси сигналов и шума к удобному значению промежуточной частоты.

3. Приемник по п. 1, отличающийся тем, что антенный блок состоит из N антенных элементов с малошумящими усилителями на выходе, при этом выходные сигналы антенных элементов поступают на входы блока уплотнения сигналов.

4. Приемник по п. 3, отличающийся тем, что в блоке уплотнения сигналов сигналы от антенных элементов подвергаются фазовой манипуляции кодами уплотнения.

5. Приемник по п. 4, отличающийся тем, что в блоке уплотнения сигналов фазовая манипуляция производится ансамблем взаимно ортогональных кодовых последовательностей, предпочтительно кодов Уолша.

6. Приемник по п. 1, отличающийся тем, что аналоговый радиочастотный преобразователь выполнен с возможностью использования сигнала от стабильного генератора опорной частоты, при этом выходными сигналами аналогового радиочастотного преобразователя являются преобразованные в цифровую форму выборки смеси сигналов и шума на промежуточной частоте.

7. Приемник по п. 1, отличающийся тем, что цифровой преобразователь частоты выполнен с возможностью разделения сигналов глобальных навигационных спутниковых систем, передаваемых в разных частотных поддиапазонах, и переноса комплексных цифровых отсчетов сигналов глобальных навигационных спутниковых систем на нулевую частоту, при этом цифровой преобразователь частоты выполнен с возможностью осуществления фильтрации сигналов глобальных навигационных спутниковых систем, согласованную с шириной спектра модуляции сигналов, и квантования отфильтрованных сигналов, сохраняя число разрядов представления их отсчетов, предназначенное для хранения в пакетной памяти сигналов, которая выполнена с возможностью сохранения отсчетов сигналов глобальных навигационных спутниковых систем - раздельно для каждого из частотных поддиапазонов - в темпе реального времени и воспроизведения их в виде пакетов отсчетов в ускоренном темпе, согласованном с темпом последующей обработки в блоке корреляции.

8. Приемник по п. 7, отличающийся тем, что пакетная память сигналов для каждого из частотных поддиапазонов выполнена в виде циклических буферов на базе запоминающего устройства с произвольным доступом, при этом блок корреляции выполнен с возможностью корреляционной обработки отсчетов смеси всех сигналов глобальных навигационных спутниковых систем с шумом в каждом из частотных поддиапазонов.

9. Приемник по п. 1, отличающийся тем, что выходным сигналом блока корреляции являются накопленные за известное время корреляционные интегралы смеси сигнала с шумом и ожидаемой копии сигнала, при этом блок частотного анализа выполнен с возможностью накопления статистик корреляционных интегралов смеси сигнала с шумом и ожидаемой копии сигнала, преобразует последовательности накопленных статистик в спектры мощности накоплений и в режиме обнаружения сигнала сравнения накопленных спектров мощности накоплений с порогом обнаружения, при этом накапливаемые статистики во временной и частотной областях сохраняются в блоке памяти накоплений, а блок корреляции выполнен с возможностью поочередной обработки группы отсчетов сигналов в ускоренном времени, коррелируя их с локальными копиями всех сигналов, при этом пакетная память выполнена с возможностью хранения порции входных отсчетов сигналов в течение времени, требуемого для корреляционной обработки всех требуемых навигационных спутников нескольких глобальных навигационных спутниковых систем, при этом результаты корреляционной обработки порций сигнальных отсчетов хранятся в памяти накоплений и повторно используются при возобновлении обработки тех же сигналов.

10. Приемник по п. 1, отличающийся тем, что управление всеми цифровыми блоками приемника и цифровая обработка накоплений, запомненных в блоке памяти накоплений, а также внешний информационный обмен производятся процессором с блоком памяти и интерфейсными блоками.

11. Приемник по п. 1, отличающийся тем, что пакетная память выполнена с возможностью сохранения сигналов с частотой дискретизации, равной 9 МГц, что соответствует 16-кратной величине разноса частот сигналов ГНСС ГЛОНАСС, а пакетный тьюнер выполнен с возможностью поворота фаз последовательных комплексных отсчетов сигнального пакета на величины, кратные 1/16 фазового цикла.

12. Приемник по п. 1, отличающийся тем, что пакетная память выполнена с возможностью сохранения сигналов с частотой дискретизации, равной 4.5 МГц, что соответствует 8-кратной величине разноса частот сигналов ГНСС ГЛОНАСС, а пакетный тьюнер выполнен с возможностью поворота фаз последовательных комплексных отсчетов сигнального пакета на величины, кратные 1/8 фазового цикла.

13. Приемник по п. 1, отличающийся тем, что блок частотного анализа включает в себя последовательно соединенные комплексный умножитель, сумматор накоплений, буферный регистр накоплений, блок быстрого преобразования Фурье, блок накопления мощностей и пороговое устройство, при этом второй вход сумматора накоплений соединен с выходом буферного регистра накоплений и после заполнения буферного регистра накоплений последовательностью накоплений от первого из плеч блока корреляции, соответствующей первому антенному элементу блока антенного, на комплексный умножитель подается величина угла предвычисленной в процессоре разности фаз между первым и вторым антенными элементами блока антенного; вторая последовательность накоплений от второго из плеч блока корреляции, довернутая в комплексном умножителе на величину разности фаз, суммируется с первой последовательностью в сумматоре накоплений и вновь помещается в буферный регистр накоплений; цикл доворота фаз и суммирования повторяется для всех последовательностей накоплений от всех плеч блока корреляции, после чего запускается обработка суммарной последовательности блоками быстрого преобразования Фурье, накопления мощностей и пороговым устройством.