ЦИФРОВОЙ ИМИТАТОР СИГНАЛОВ N-ЭЛЕМЕНТНОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ ГНСС Российский патент 2023 года по МПК H04K3/00 G01S19/21 G01S19/23 G01S7/40 

Изобретение относится к области радионавигации и может быть использовано для тестирования и отработки помехоустойчивой аппаратуры спутниковой навигации, оснащенной антенной решеткой, а именно для формирования цифровых сигналов, соответствующих сигналам от космических аппаратов глобальных спутниковых радионавигационных систем ГЛОНАСС или GPS, а также для имитации помех в рабочем диапазоне частот.

Анализ современного уровня техники, относящейся к глобальным навигационным спутниковым системам (ГНСС), показал, что различные программные и аппаратные средства широко используются для имитации сигналов ГНСС. Имеющиеся промышленные и исследовательские образцы средств имитации сигналов ГНСС позволяют воссоздавать различные условия работы аппаратуры спутниковой навигации, в том числе неблагоприятные при наличии радиопомех в рабочем диапазоне частот. На данный момент наблюдается активное развитие средств повышения помехоустойчивости аппаратуры ГНСС. Наибольшей эффективностью с точки зрения помехоподавления обладают образцы аппаратуры спутниковой навигации, оснащенные антенной решеткой.

Тестирование помехоустойчивой аппаратуры спутниковой навигации требует подтверждения заявляемых характеристик. Проведение испытаний требует создания специальных тестовых условий и наличия дорогостоящего оборудования, что не всегда возможно. Альтернативным способом является применение лабораторной аппаратуры, не требующей излучения радиосигналов в окружающее пространство.

Из области техники известен имитатор GPS/ГЛОНАСС [патент CN №102176030, МПК G01S 19/23, опуб. 23.01.2013 г]. Устройство содержит информационный процессорный модуль, построенный на основе цифрового сигнального процессора, который формирует данные для генерирования сигналов глобальных навигационных спутниковых систем GPS и ГЛОНАСС. После сигнального процессора используется программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС), в которой выполняется цифровой синтез сигналов. Выходные сигналы ПЛИС поступают на цифроаналоговые преобразователи, формирующие аналоговые сигналы в диапазоне промежуточной частоты (ПЧ). После получения сигналов в диапазоне промежуточной частоты применяется преобразователь частоты вверх, переносящий сигналы в рабочие диапазоны частот GPS и ГЛОНАСС. Полученный сигнал может быть подан на излучающую антенну, либо напрямую в спутниковый навигационный приемник через соединительный кабель. Данное устройство используется для цифрового формирования каждого из имитируемых сигналов ГНСС.

К недостаткам данного устройства можно отнести то, что работа устройства осуществляется в одноканальном режиме, не позволяющем имитировать прием навигационных сигналов для многоэлементных антенных решеток ГНСС; также отсутствует генерация помех, что не позволяет выполнять имитацию приема сигналов ГНСС в неблагоприятной обстановке.

Известен имитатор навигационных радиосигналов навигационных космических аппаратов, принятый за прототип [патент RU №2697811, МПК G01S 7/40, опуб. 20.08.2019 г]. Устройство содержит блок цифрового формирования сигналов и связанные с ним интерфейсный блок (узел интерфейса обмена) и опорный генератор, при этом вход интерфейсного блока является входом устройства, блок цифрового формирования сигнала включает имитатор сигналов ГНСС (формирователь навигационного сигнала), узел формирования сигнала псевдослучайной последовательности (ПСП) и узел синтеза сигнала, содержащий в свою очередь цифровые синтезаторы (ЦС), сумматоры и модуляторы.

Устройство также содержит фильтры для выделения сигналов ГНСС в диапазоне промежуточной частоты (ПЧ), преобразователь частоты вверх, выход которого соединен с входом аттенюатора, выход аттенюатора соединен с излучателем или входом навигационного приемника. Узел синтеза сигнала состоит из синтезаторов частоты, делителя частоты, при этом выход делителя частоты является выходом сигнала синхронизации и тактовой частоты и соединен с входом синхронизации узла формирования сигнала ПСП и с вторыми входами ЦС.

В прототипе управление имитатором выполняется внешним устройством, что позволяет отказаться от встроенного процессорного устройства; имеется гибкое управление в цифровом виде фазами и частотами имитируемых сигналов ГНСС; также существует генерирование цифровых сигналов ГНСС в квадратурном виде, что позволяет обеспечить лучшие характеристики по групповому времени запаздывания при последующей обработке (цифроаналоговое преобразование, квадратурный перенос сигналов ГНСС в область высоких частот).

Однако, недостатками прототипа являются:

- генерирование цифровых сигналов в диапазоне промежуточной частоты только в одноканальном режиме. При имитации сигналов для аппаратуры спутниковой навигации, оснащенной антенной решеткой, требуется наличие нескольких каналов;

- отсутствует генерирования помех, с помощью которых возможно оценивать помехоустойчивость аппаратуры спутниковой.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в реализации в лабораторных условиях проверки (тестирования) работоспособности и помехоустойчивости аппаратуры спутниковой навигации путем воссоздания приема навигационных сигналов и помех несколькими антеннами с различных направлений.

Технический результат достигается тем, что цифровой имитатор сигналов N-элементной антенной решетки ГНСС, содержащий блок цифрового формирования сигналов и связанные с ним интерфейсный блок и опорный генератор, при этом вход интерфейсного блока является входом устройства, а блок цифрового формирования сигналов включает имитатор сигналов ГНСС, согласно изобретению блок цифрового формирования сигналов дополнен (N-1) генераторами помех, блоком генераторов сигналоподобных/имитационных помех, блоком управления имитатором сигналов антенной решетки ГНСС и цифровым сумматором сигналов ГНСС и помех, при этом один выход блока управления имитатором сигналов ГНСС соединен с входом имитатора сигналов ГНСС, а остальные выходы - с входами генераторов помех и блоком генераторов сигналоподобных/имитационных помех, N выходы которых совместно с N выходами имитатора сигналов ГНСС соединены с входами цифрового сумматора сигналов ГНСС и помех, выход которого является выходом устройства, причем в имитатор сигналов ГНСС, содержащем М генераторов сигнала ГНСС, количество которых соответствует количеству спутниковых сигналов в имитируемом созвездии навигационной системы, введен генератор псевдошумовых сигналов и преобразователь разрядности, при этом N выходы генераторов сигналов ГНСС и N выходы генератора псевдошумовых сигналов соединены с входами сумматора сигналов, выходы которого соединены с входами преобразователя разрядности, при этом в каждый генератор сигнала ГНСС введен многоканальный амплитудно-фазовый цифровой умножитель сигналов, формирующий выходные сигналы, имитирующие прием сигнала ГНСС с некоторого направления по отношению к N элементам имитируемой антенной решетки, причем каждый генератор помехи состоит из узла синтеза помехи, многоканального амплитудно-фазового цифрового умножителя сигналов и блока управления генератором помехи, при этом один выход блока управления генератором помехи соединен с многоканальным амплитудно-фазовым цифровым умножителем сигналов, а второй выход - с входом узла синтеза помехи, выход которого соединен с входом многоканального амплитудно-фазового цифрового умножителя сигнала, в свою очередь блок генераторов сигналоподобных/имитационных помех состоит из Р генераторов сигналоподобной/имитационной помехи, многоканального сумматора сигналов и блока управления генераторами сигналоподобных/имитационных помех, при этом выходы блока управления генераторами сигналоподобных/ имитационных помех соединены с входами каждого из генераторов сигналоподобной/имитационной помехи, N выходы которых соединены с входами многоканального сумматора сигналов, формирующего сигналоподобные/имитационные помехи.

Дополнительное оснащение блока цифрового формирования сигналов (N-1) генераторами помех, блоком генераторов сигналоподобных/имитационных помех, цифровым сумматором сигналов ГНСС и помех и блоком управления имитатором сигналов антенной решетки ГНСС, позволяет сгенерировать совокупность спутниковых навигационных сигналов с учетом их приема элементами антенной решетки с разных направлений согласно ориентации антенной решетки относительно имитируемого спутникового созвездия. Одновременно с этим создать помеховые сигналы, превышающие уровень навигационных сигналов и собственного шума антенной решетки, а также посредством блока генераторов сигналоподобных/имитационных помех создать ложные навигационные сигналы.

Соединение одного выхода блока управления имитатором сигналов ГНСС с входом имитатора сигналов ГНСС, при этом остальных выходов - с входами генераторов помехи и входом блока генераторов сигналоподобных/имитационных помех, N выходы которых совместно с N выходами имитатора сигналов ГНСС соединены с входами цифрового сумматора сигналов ГНСС и помех, выход которого является выходом устройства формирующего имитируемые сигналы и помехи антенной решетки, позволяет объединить все генерируемые сигналы. Наличие блока управления имитатором сигналов антенной решетки позволяет задать режимы работы всех блоков, т.е. управлять сигнально-помеховой обстановкой.

Наличие в имитаторе сигналов ГНСС М генераторов сигналов ГНСС, количество которых соответствует количеству спутников в имитируемом созвездии навигационной системы, дает возможность генерировать несколько навигационных сигналов, которые, смешиваясь с превышающими по уровню псевдошумовыми сигналами, имитируют прием ослабленных сигналов ГНСС антенной навигационной аппаратуры потребителей.

Введение в имитатор сигналов ГНСС преобразователя разрядности позволяет уменьшить разрядность его выходных сигналов, что дает возможность в пределах разрядности цифровых сигналов суммировать имитируемые сигналы ГНСС с превышающими уровень шума помехами.

Наличие в имитаторе сигналов ГНСС генератора псевдошумовых сигналов позволяет сымитировать собственный шум антенн и радиотракта навигационного приемника. Соединение N выходов генераторов сигналов ГНСС и N выходов генератора псевдошумовых сигналов с входами сумматора сигналов, выходы которого соединены с входами преобразователя разрядности, позволяет объединить сигналы от генераторов сигналов ГНСС и генератора псевдошумовых сигналов в выходные сигналы, выходящие через преобразователь разрядности, в имитируемые сигналы антенной решетки ГНСС.

Введение в каждый генератор сигнала ГНСС многоканального амплитудно-фазового цифрового умножителя сигналов, дает возможность сформировать выходные сигналы, имитирующие прием сигнала ГНСС с произвольного направления относительно элементов антенной решетки. В каждый выходной сигнал генератора ГНСС вносятся фазовые сдвиги и амплитудные различия, воспроизводящие падение электромагнитной волны, содержащей сигнал ГНСС, на поверхность имитируемой антенной решетки.

Наличие в каждом генераторе помехи узла синтеза помехи, многоканального амплитудно-фазового цифрового умножителя сигналов и блока управления генератором помехи, позволяет сформировать сигнал помехи и сымитировать ее прием с произвольного направления относительно элементов антенной решетки.

Соединение одного выхода блока управления генератором помехи с многоканальным амплитудно-фазовым цифровым умножителем сигналов, а второго выхода - с входом узла синтеза помехи, выход которого соединен с входом многоканального амплитудно-фазового цифрового умножителя сигнала, позволяет управлять процессом формирования сигнала помехи в многоканальном виде.

Наличие в блоке генераторов сигналоподобных/имитационных помех Р генераторов сигналоподобной/имитационной помехи, предназначенных для задания ложных или мешающих сигналов ГНСС, а также многоканального сумматора сигналов и блока управления генераторами сигналоподобных/имитационных помех, при этом выходы блока управления генераторами сигналоподобных/имитационных помех соединены с входами каждого из генераторов сигналоподобной/имитационной помехи, N выходы которых соединены с входами многоканального сумматора сигналов, позволяет с помощью блока управления генераторами сигналоподобных помех задать режимы генераторов помех и посредством многоканального сумматора сигналов сформировать сигналоподобные/имитационные помехи в многоканальном виде.

Таким образом, совокупность всех изложенных выше признаков создает условия реализации в лабораторных условиях проверки (тестирования) работоспособности и помехоустойчивости аппаратуры спутниковой навигации путем воссоздания приема навигационных сигналов и помех несколькими антеннами с различных направлений.

Наличие в заявляемом изобретении признаков, отличающих его от прототипа, позволяет считать его соответствующим условию «новизна».

Новые признаки, которые содержит отличительная часть формулы изобретения, не выявлены в технических решениях аналогичного назначения. На этом основании можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию «изобретательский уровень».

Изобретение иллюстрируется чертежами:

на фиг. 1 представлена структурно-функциональная схема заявляемого устройства;

на фиг. 2 - структурно-функциональная схема блока цифрового формирования сигналов;

на фиг. 3 - структурно-функциональная схема имитатора сигналов ГНСС;

на фиг. 4 - структурно-функциональная схема каждого генератора сигнала ГНСС;

на фиг. 5 - структурно-функциональная схема каждого генератора помехи;

на фиг. 6 - структурно-функциональная схема блока генераторов сигналоподобных/имитационных помех;

на фиг. 7 - представлена диаграмма сигналов ГЛОНАСС, сгенерированных имитатором антенной решетки, где а) - спектр без добавления псевдошума, б) - спектр после добавления псевдошума; в) -корреляционный поиск сигнала с литерой -5;

на фиг. 8 - представлен графики помех, генерируемых имитатором антенной решетки: а) гармоническая; б) фазоманипулированная; в) импульсная;

на фиг. 9 - представлено изображение направления сигналов, генерируемых в имитаторе сигналов антенной решетки ГНСС;

на фиг. 10 представлено одновременное генерирование двух помех, где фиг. 10 а) - фрагмент сигнала; фиг. 10 б) - спектр фрагмента сигнала.

На указанных иллюстрациях (фиг. 1-6) цифрового имитатора сигналов антенной решетки ГНСС принимаются следующие обозначения:

1 - блок цифрового формирования сигналов;

2 - интерфейсный блок;

3 - опорный генератор;

4 - имитатор сигнала ГНСС;

5 - генератор помехи;

6 - блок генераторов сигналоподобных/имитационных помех;

7 - блок управления имитатором сигналов антенной решетки ГНСС;

8 - цифровой сумматор сигналов ГНСС и помех;

9 - генератор сигнала ГНСС;

10- генератор псевдошумового сигнала;

11- блок управления имитатором сигналов ГНСС;

12 - сумматор сигналов;

13 - преобразователь разрядности;

14 - квадратурный цифровой синтезатор несущего сигнала;

15- формирователь псевдослучайной последовательности (ПСП) ГНСС;

16 - сдвиговый регистр навигационных данных;

17 - блок управления генератором сигнала ГНСС;

18 - модулятор;

19 - многоканальный амплитудно-фазовый умножитель сигналов;

20 - узел синтеза сигнала помехи;

21 - многоканальный амплитудно-фазовый цифровой умножитель сигналов;

22 - блок управления генератором помехи;

23 - генератор сигналоподобной помехи;

24 - блок управления генераторами сигналоподобных помех;

25 - многоканальный сумматор сигналов.

Устройство выполнено следующим образом.

В качестве примера рассмотрено построение имитатора сигналов антенной решетки ГНСС, реализующего прием сигналов ГЛОНАСС и помех четырьмя (N=4) антенными элементами.

Цифровой имитатор сигналов антенной решетки глобальных спутниковых навигационных систем (ГНСС) (фиг. 1-6) содержит блок цифрового формирования сигналов 1 и связанные с ним интерфейсный блок 2 и опорный генератор 3. При этом вход интерфейсного блока 2 является входом устройства, а выходы из блока цифрового формирования сигналов 1 являются выходом устройства, формирующего имитируемые сигналы и помехи антенной решетки.

В свою очередь блок цифрового формирования сигналов 1 (фиг.2) включает имитатор сигналов ГНСС 4, три (N-1) генератора помех 5, блок генераторов сигналоподобных/имитационных помех 6, цифровой сумматор сигналов ГНСС и помех 8 и блок управления имитатором сигналов антенной решетки ГНСС 7, что позволяет сгенерировать совокупность спутниковых навигационных сигналов с учетом их приема элементами антенной решетки с разных направлений согласно ориентации антенной решетки относительно имитируемого спутникового созвездия. Одновременно с этим присутствует возможность создать помеховые сигналы, превышающие уровень навигационных сигналов и собственного шума антенной решетки, а также посредством блока генераторов сигналоподобных/имитационных помех создать ложные навигационные сигналы.

При этом один выход блока управления имитатором сигналов ГНСС 7 соединен с входом имитатора сигналов ГНСС 4, а остальные выходы - с входами трех генераторов помехи 5 и блоком генераторов сигналоподобных/имитационных помех, выходы которых совместно с выходами имитатора сигналов ГНСС 4 соединены с входами цифрового сумматора сигналов ГНСС и помех 8, выход которого является выходом устройства, что позволяет объединить все генерируемые сигналы. Наличие блока управления имитатором сигналов антенной решетки позволяет задать режимы работы всех блоков, т.е. управлять сигнально-помеховой обстановкой. Схема, представленная на фиг. 2, может быть реализована посредством одной или нескольких программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС). Значительная часть блоков построена на основе стандартных для ПЛИС узлов и конфигураций [Woods, R. FPGA-based Implementation of Signal Processing Systems / R. Woods, J. McAllister, [et all]. - John Wiley & Sons, 2008].

В свою очередь, имитатор сигналов ГНСС 4 (фиг. 3), предназначенный для создания сигналов группировки навигационных спутников с учетом их приема элементами антенной решетки с разных направлений согласно ориентации антенной решетки относительно имитируемого спутникового созвездия, содержит восемь (М=8) генераторов сигналов ГЛОНАСС 9, генератор псевдошумовых сигналов 10, имитирующий собственный шум антенн и радиотракта навигационного приемника, сумматор сигналов 12 и преобразователь разрядности 13. Количество генераторов сигналов ГЛОНАСС определяется количеством видимых спутников (и сигналов ГНСС соответственно) для навигационного приемника. Введение в имитатор сигналов ГНСС 4 преобразователя разрядности 13 позволяет уменьшить разрядность его выходных сигналов, что дает возможность в пределах разрядности цифровых сигналов суммировать имитируемые сигналы ГНСС с превышающими уровень шума помехами.

А каждый из генераторов сигналов ГНСС 9 предназначен для имитации отдельного навигационного сигнала. Количество задействованных генераторов сигналов ГНСС 9 выбирается в соответствии с количеством спутников, находящихся в радиовидимости для навигационной аппаратуры потребителей, в имитируемом созвездии навигационной системы. Выходы блока 11 соединены с входами восьми генераторов сигнала ГНСС 9, выходы которых вместе с выходами генератора псевдошумовых сигналов 10 соединены с входами сумматора сигналов 12, выходы которого соединены с входами преобразователя разрядности 13, что позволяет объединить сигналы от генераторов сигналов ГНСС 9 и генератора псевдошумовых сигналов 10 в выходные сигналы, выходящих через преобразователь разрядности 13, в имитируемые сигналы антенной решетки ГНСС.

Каждый из генераторов 9 и 10 имеет четыре выходных сигнала, соответствующих количеству антенных элементов (N=4) имитируемой антенной решетки.

В свою очередь каждый генератор сигнала ГНСС 9 (фиг. 4) содержит квадратурный цифровой синтезатор несущего сигнала 14, формирователь псевдослучайной последовательности (ПСП) ГНСС 15, сдвиговый регистр навигационных данных 16, модулятор 18, блок управления генератором сигнала ГНСС 17 и многоканальный амплитудно-фазовый умножитель сигналов 19, формирующий выходные сигналы, имитирующие прием сигнала ГНСС с соответствующего направления.

Один из выходов блока управления генератором сигнала ГНСС 17 соединен с входом многоканального амплитудно-фазового умножителя сигналов 19, остальные выходы соединены соответственно с входом квадратурного цифрового синтезатора несущего сигнала 14, с входом формирователя ПСП ГНСС, с входом сдвигового регистра навигационных данных 16. При этом выходы синтезатора 14, формирователя 15 и регистра 16 соединены с входами модулятора 19, выход которого совместно с выходом блока управления 17 соединен входами многоканального амплитудно-фазового умножителя сигналов 19, формирующего имитируемый сигнал ГНСС.

В свою очередь каждый генератор помехи 5 (фиг. 5), применяемый для создания помеховых сигналов, превышающих уровень навигационных сигналов и собственного шума, состоит из узла синтеза помехи 20, многоканального амплитудно-фазового цифрового умножителя сигналов 21 и блока управления генератором помехи 22, что позволяет сформировать сигнал помехи и сымитировать ее прием с произвольного направления относительно элементов антенной решетки. Для чего один выход блока управления генератором помехи 22 соединен с многоканальным амплитудно-фазовым цифровым умножителем сигналов 21, а второй выход - с входом узла синтеза помехи 20, выход которого соединен с входом многоканального амплитудно-фазового цифрового умножителя сигнала 21.

А блок генераторов сигналоподобных/имитационных помех 6 (фиг. 6), предназначенный для создания ложных навигационных сигналов, состоит из восьми (Р=8) генераторов сигналоподобной/имитационной помехи 23, многоканального сумматора сигналов 25 и блока управления генераторами сигналоподобных/имитационных помех 24.

При этом выходы блока управления генераторами сигналоподобных/имитационных помех 24 соединены с входами каждого из генераторов сигналоподобной/имитационной помехи 23, четыре выходы которых соединены с входами многоканального сумматора сигналов 25, формирующего сигналоподобные/имитационные помехи, что позволяет с помощью блока управления генераторами сигналоподобных помех задать режимы генераторов помех и посредством многоканального сумматора сигналов сформировать сигналоподобные/имитационные помехи в многоканальном виде.

Устройство работает следующим образом.

Для выполнения имитации приема сигналов ГНСС и помех в элементах антенной решетки предварительно перед запуском цифрового имитатора сигналов антенной решетки ГНСС задействуются средства вычислительной электродинамики. Для чего создается трехмерная модель антенной решетки ГНСС, в которой учитываются геометрические особенности антенной решетки: конструкция антенных элементов, относительное расположение, размещение на несущей поверхности и т.д. Трехмерное моделирование антенной решетки позволяет рассчитать воздействие плоских электромагнитных волн на антенны, имитируя процесс приема радиосигналов с различных направлений.

Для каждого заданного направления приема электромагнитной волны определяют выходные напряжения в антеннах. Амплитудные и фазовые соотношения наведенных напряжений далее преобразуют в цифровые коэффициенты, которые загружают в многоканальные амплитудно-фазовые цифровые умножители сигналов 19, 21, находящиеся в генераторах сигналов ГНСС 9 и генераторах помех 5.

Порядок работы цифрового имитатора сигналов антенной решетки ГНСС, с помощью которого осуществляется реализация в лабораторных условиях проверки (тестирования) работоспособности и помехоустойчивости аппаратуры спутниковой навигации путем воссоздания приема навигационных сигналов и помех несколькими антеннами с различных направлений, демонстрируется на примере имитируемой антенной решетки, содержащей четыре антенных элемента.

Запуск цифрового имитатора сигналов антенной решетки ГНСС выполняется от внешнего управляющего компьютера, подключенного по одному из стандартных интерфейсов, к входу интерфейсного блока 2 (фиг. 1). В интерфейсном блоке 2 выполняется анализ принятых данных и формирование на их основе управляющих сигналов, которые от выхода интерфейсного блока 2 поступают на вход блока цифрового формирования сигналов 1. Управляющие сигналы передаются по шине адреса и шине данных, а также по линиям тактирования и разрешения тактирования. Сигнал опорной частоты с выхода опорного генератора 3 подается на вход блока цифрового формирования сигналов 1 после включения питания. Необходимые для работы тактовые сигналы генерируются внутри блока цифрового формирования сигналов 1 на основе сигнала опорной частоты.

Для имитации сигналов ГНСС выполняется загрузка данных для настройки в имитатор сигналов ГНСС 4. В блок управления имитатором сигналов ГНСС 7 загружаются номера и параметры шкалы времени задействованных генераторов сигналов ГНСС 9, благодаря чему осуществляется синхронизация и временной сдвиг между имитируемыми сигналами ГНСС.

В каждый из задействованных генераторов ГНСС 9 выполняется загрузка следующих параметров: фаза ПСП, частота ПСП и т.д. - в блок управления генератором сигнала ГНСС 17; частота несущего сигнала - в квадратурный цифровой синтезатор несущего сигнала 14; тип и стартовое значение ПСП - в формирователь ПСП ГНСС 15; данные, используемые для формирования информационной составляющей навигационного сигнала - в сдвиговый регистр навигационных данных 16; амплитудно-фазовые коэффициенты, полученные по каждому антенному элементу, с помощью электродинамических расчетов - в многоканальный амплитудно-фазовый цифровой умножитель сигналов 19. Каждый из имитируемых сигналов ГНСС образуется сначала на выходе модулятора 18, на вход которого поступают квадратурный несущий сигнал, ПСП и информационные данные, а с выхода снимается сигнал с расширенным спектром, который также имеет квадратурный вид. В многоканальном амплитудно-фазовом умножителе 19 выполняется перемножение квадратурного сигнала, поданного от модулятора 18, на четыре (N=4) комплексных коэффициента. Благодаря этому на выходе генератора сигнала ГНСС формируется N выходных сигналов с амплитудными и фазовыми характеристиками, соответствующими приему сигнала в антенной решетке с заданного направления.

Имитация собственного шума антенны и тракта радиочастотной обработки сигнала реализуется при помощи генератора псевдошумовых сигналов 10. В его основе используются генераторы ПСП на базе сдвиговых регистров с периодом повторения сотни дней [Варакин, Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами / Л.Е. Варакин. - М.: Радио и связь, 1985. - 384 с., ил.]. На коротком отрезке времени спектрально такой сигнал будет соответствовать белому шуму. Для управления генератором псевдошумовых сигналов 10 в него загружаются случайные стартовые комбинации сдвиговых регистров, а также амплитуды шума.

Сумматор 12 объединяет сигналы от восьми (М=8) генераторов сигналов ГНСС 9 и генератора псевдошумовых сигналов 10 в четыре выходных сигнала, соответствующее количеству имитируемых элементов в антенной решетке.

На выходе имитатора сигналов ГНСС 4 цифровым способом формируются сигналы в диапазоне промежуточной частоты (0-25 МГц). Сигналы реализуются в целочисленном виде и разрядностью 14-16 бит. Каждый из блоков 4, 5, 6 имеет по четыре (N=4) выходных сигнала, соответствующих количеству антенных элементов антенной решетки. Суммирование сигналов ГНСС и псевдошума выполняется в цифровом виде в пределах выбранной разрядности сигналов, что при дальнейшем добавлении сигналов помех может вызвать переполнение. В связи с этим введен преобразователь разрядности 13, при помощи которого происходит деление входных сигналов на заданное значение. В получаемых выходных сигналах преобразователя разрядности 13 суммарные сигналы размещаются в младших битах, при этом старшие биты освобождаются, чтобы быть использованными на этапе подмешивания помех. Благодаря этому в пределах разрядности цифровых сигналов увеличивается максимальная мощность помех, которые могут быть добавлены к сигналам ГНСС.

Функции создания надшумовых помех реализуются при помощи генераторов помех 5. После задания режима работы имитатора сигналов ГНСС 4 выполняется загрузка следующих настроек: тип помехи (гармоническая, импульсная, фазомодулированная), тип модулирующего сигнала (меандр, ПСП), частота модулирующего сигнала - в блок управления генератором помехи 5; частота несущего сигнала - в узел синтеза сигнала; комплексные коэффициенты, вычисленные при помощи электродинамических расчетов для каждого имитируемого антенного элемента, - в многоканальный амплитудно-фазовый цифровой умножитель сигналов 19.

Функционирование навигационной аппаратуры потребителей в условиях наличия ложных навигационных сигналов проверяется с использованием блока генераторов сигналоподобных/имитационных помех (фиг. 6). В рассматриваемом примере имитатора сигналов антенной решетки ГНСС, где реализовано генерирование сигналов ГЛОНАСС, используется восемь генераторов сигналоподобных помех 23. Структура блока 6 в целом повторяет структуру имитатора сигналов ГНСС 4, но за исключением генератора псевдошумовых сигналов и преобразователя разрядности.

Каждый из генераторов сигналоподобных помех 23 повторяет структуру генератора сигнала ГНСС 9. Для генерирования дезинформирующих (сигналоподобных или имитационных) помех, в каждый из генераторов сигналоподобных помех 23 загружаются данные о частоте и фазе ПСП, данные о частоте несущего сигнала, информационные данные и амплитудно-фазовые коэффициенты, обеспечивающие имитацию приема помехи с некоторого направления относительно элементов антенной решетки.

В отличие от навигационных сигналов, мощность которых меньше собственного шума в антенне и входных трактах навигационной аппаратуры потребителей, мощность сигналоподобных и имитационных помех может быть и больше, и меньше уровня шума. Таким образом, имитируются условия приема сигналов ГНСС, при которых навигационный приемник может обнаружить и начать отслеживать ложный навигационный сигнал.

В результате все сигналы с имитатора сигналов ГНСС 4, генераторов помех 5 и блока генераторов сигналоподобных/имитационных помех 6 объединяет цифровой сумматор сигналов ГНСС и помех 8, который формирует выходные сигналы, содержащие имитируемые сигналы и помехи в антенной решетки.

В качестве примеров представлены графики (фиг. 7-10), демонтрирующие варианты генерируемых сигналов, которые могут быть применены для тестирования работоспособности и помехоустойчивости аппаратуры спутниковой навигации с использованием заявляемого цифрового имитатора сигналов антенной решетки.

Так, на фиг. 7 показано генерирование цифровых сигналов ГНСС без помех, где на фиг. 7а) приведен спектр восьми сгенерированных сигналов ГЛОНАСС F1OF без добавления шумового сигнала. Суммирование сигналов ГНСС с выходным сигналом от генератора псевдошумовых сигналов 10 позволяет сымитировать превышение уровня шума над навигационными сигналами. Выходной сигнал сумматора 12 пропускается через преобразователь разрядности 13, что позволяет обеспечить на следующем этапе введение надшумовых помех в пределах имеющейся разрядности сигналов 14-16 бит. На фиг.7 б) показан спектр выходного сигнала имитатора сигналов ГНСС 4, в котором содержатся сигналы ГЛОНАСС L1OF и псевдошумовой сигнал. На фиг. 7 в) показан результат программной корреляционной обработки сформированного шумового сигнала, в котором обнаруживается сигнал ГЛОНАСС L1 с литерой -5. Полученные графики демонстрируют, что цифровое формирование сигналов ГНСС на примере сигналов ГЛОНАСС L1OF происходит корректно. При последующей подаче данных сигналов в цифровой коррелятор навигационного приемника обнаружение сигналов ГЛОНАСС выполняется успешно.

На фиг. 8 представлены спектры возможных вариантов надшумовых помех, где на фиг. 8 а) - гармоническая, на фиг.8 б) - фазоманипулированная, а на фиг. 8 в) - импульсная. Сигналы помех на фиг. 8 явно превышают уровень шума. Использование преобразования разрядности в процессе смешивания имитируемых сигналов ГНСС с шумом позволяет обеспечить динамический диапазон, в котором соотношение помеха/сигнал не менее 60-70 дБ. Также различные настройки помех (модуляция, тип модуляции, частота модуляции) позволяют сформировать помехи с разной шириной спектра.

На фиг. 9 схематично представлено задание сигнально-помеховой обстановки для навигационной аппаратуры потребителей, имеющей антенную решетку из четырех элементов. Согласно приведенной схеме выполняется загрузка настроек в имитатор сигналов антенной решетки ГНСС. Выполняется генерирование восьми сигналов ГЛОНАСС TIOF с литерными частотами -5, -2, -1, 0, 2, 3, 4, 6 и мощностями -131 дБм. Также задается генерирование гармонической и импульсной помех в диапазоне ПЧ на частотах 5,4 МГц и 13,4 МГц. На фиг. 9 схематично отображаются направления приема всех сигналов. Пунктиром обозначены направления приема помех. Согласно фиг. 9 направления приема сигналов ГЛОНАСС и помех задаются от центра антенной решетки по азимуту и углу места. Для указанного направления задаются соответствующие амплитудно-фазовые коэффициенты, благодаря которым имитируется пространственное разнесение между сигналами ГЛОНАСС и помехами.

На фиг. 10 показаны графики фрагмента и спектра одного из выходных сигналов имитатора антенной решетки ГНСС. Представленный пример цифрового сигнала (фиг.10 а) содержит шумовой сигнал, гармоническую помеху и имульсную помеху. На спектре показанного сигнала (фиг.10 б) отчетливо видно присутствие двух надшумовых помех.

Заявляемый имитатор может быть применен при проверке цифровой части навигационной аппаратуры ГНСС для тестирования вычислительных функций при помехоподавлении. Также он может быть дополнен цифроаналоговыми преобразователями и преобразователями частоты вверх для переноса сигналов в диапазон рабочих частот ГНСС, как это представлено в анале и прототипе к данному устройству.

Таким образом, предлагаемое решение не требует создания специальных тестовых условий для имитации неблагоприятной сигнально-помеховой обстановки приемникам ГНСС, что сокращает стоимость и время выполнения проверок и исследований. Цифровая реализация имитатора может применяться в качестве систем самопроверки в образцах помехоустойчивой аппаратуры спутниковой навигации.

На предприятии был изготовлен цифровой имитатор сигналов четырех элементной антенной решетки ГНСС, выполненный в соответствии с заявляемым изобретением, подтвердивший реализацию в лабораторных условиях проверки (тестирования) работоспособности аппаратуры спутниковой навигации путем воссоздания приема навигационных сигналов и помех несколькими антеннами с различных направлений.

Таким образом, представленные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявляемого изобретения следующей совокупности условий:

- заявляемое устройство относится к области радионавигации и может быть использовано для тестирования и отработки помехоустойчивой аппаратуры спутниковой навигации, оснащенной антенной решеткой;

- заявляемое устройство при использовании способно обеспечить реализацию в лабораторных условиях проверки (тестирования) работоспособности и помехоустойчивости аппаратуры спутниковой навигации путем воссоздания приема навигационных сигналов и помех несколькими антеннами с различных направлений;

- для заявляемого устройства в том виде, в котором оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке и известных до даты приоритета средств и методов.

Следовательно, заявленное устройство соответствует условию «промышленная применимость».

Изобретение относится к области радионавигации и может быть использовано для тестирования и отработки помехоустойчивой аппаратуры спутниковой навигации, оснащенной антенной решеткой, а именно для формирования цифровых сигналов, соответствующих сигналам от космических аппаратов глобальных спутниковых радионавигационных систем ГЛОНАСС или GPS, а также для имитации помех в рабочем диапазоне частот. Техническим результатом изобретения является обеспечение реализации в лабораторных условиях проверки и тестирования работоспособности и помехоустойчивости аппаратуры спутниковой навигации путем воссоздания приема навигационных сигналов и помех несколькими антеннами с различных направлений. В цифровом имитаторе сигналов N-элементной антенной решетки ГНСС блок цифрового формирования сигналов дополнен (N-1) генераторами помех, блоком генераторов сигналоподобных имитационных помех, блоком управления имитатором сигналов антенной решетки ГНСС и цифровым сумматором сигналов ГНСС и помех. В имитатор сигналов ГНСС, содержащий М генераторов сигнала ГНСС, количество которых соответствует количеству спутниковых сигналов в имитируемом созвездии навигационной системы, и сумматор сигналов, введены генератор псевдошумовых сигналов и преобразователь разрядности. В каждый генератор сигнала ГНСС введен многоканальный амплитудно-фазовый цифровой умножитель сигналов, формирующий выходные сигналы, имитирующие прием сигнала ГНСС с некоторого направления по отношению к N элементам имитируемой антенной решетки. Каждый генератор помехи состоит из узла синтеза помехи, многоканального амплитудно-фазового цифрового умножителя сигналов и блока управления генератором помехи. Блок генераторов сигналоподобных имитационных помех состоит из Р генераторов сигналоподобной имитационной помехи, многоканального сумматора сигналов и блока управления генераторами сигналоподобных имитационных помех. 10 ил.

Цифровой имитатор сигналов N-элементной антенной решетки ГНСС, содержащий блок цифрового формирования сигналов и связанные с ним интерфейсный блок и опорный генератор, при этом вход интерфейсного блока является входом устройства, а блок цифрового формирования сигналов включает имитатор сигналов ГНСС, отличающийся тем, что блок цифрового формирования сигналов дополнен (N-1) генераторами помех, блоком генераторов сигналоподобных/имитационных помех, блоком управления имитатором сигналов антенной решетки ГНСС и цифровым сумматором сигналов ГНСС и помех, при этом один выход блока управления имитатором сигналов ГНСС соединен с входом имитатора сигналов ГНСС, а остальные выходы – с входами генераторов помех и блоком генераторов сигналоподобных/имитационных помех, N выходов которых совместно с N выходами имитатора сигналов ГНСС соединены с входами цифрового сумматора сигналов ГНСС и помех, выход которого является выходом устройства, причем в имитатор сигналов ГНСС, содержащий M генераторов сигнала ГНСС, количество которых соответствует количеству спутниковых сигналов в имитируемом созвездии навигационной системы, введены генератор псевдошумовых сигналов и преобразователь разрядности, при этом N выходов генераторов сигналов ГНСС и N выходов генератора псевдошумовых сигналов соединены с входами сумматора сигналов, выходы которого соединены с входами преобразователя разрядности, при этом в каждый генератор сигнала ГНСС введен многоканальный амплитудно-фазовый цифровой умножитель сигналов, формирующий выходные сигналы, имитирующие прием сигнала ГНСС с некоторого направления по отношению к N элементам имитируемой антенной решетки, причем каждый генератор помехи состоит из узла синтеза помехи, многоканального амплитудно-фазового цифрового умножителя сигналов и блока управления генератором помехи, при этом один выход блока управления генератором помехи соединен с многоканальным амплитудно-фазовым цифровым умножителем сигналов, а второй выход - с входом узла синтеза помехи, выход которого соединен с входом многоканального амплитудно-фазового цифрового умножителя сигнала, в свою очередь, блок генераторов сигналоподобных/имитационных помех состоит из Р генераторов сигналоподобной/имитационной помехи, многоканального сумматора сигналов и блока управления генераторами сигналоподобных/имитационных помех, при этом выходы блока управления генераторами сигналоподобных/имитационных помех соединены с входами каждого из Р генераторов сигналоподобной/имитационной помехи, N выходов которых соединены с входами многоканального сумматора сигналов, формирующего сигналоподобные/имитационные помехи.