Многофункциональный модуль приема сообщений автоматического зависимого наблюдения вещания для малого космического аппарата Российский патент 2023 года по МПК H04B1/16 

Изобретение относится к радиолокационной и вычислительной технике, которая применяется для управления воздушным движением, опознавания, измерения расстояний в навигационных системах, определение положения воздушных судов, главным образом путем приема и обработки сигналов на частоте 1090 МГц, передаваемых с летательных аппаратов - сигналов ADS-B (Automatic Dependent Surveillance - Broadcast, что означает: Автоматическое зависимое наблюдение в режиме радиовещания (АЗН-В)).

В качестве аналога может быть рассмотрено Приемное устройство автоматического зависимого вещательного наблюдения ADS-B (см. описание полезной модели к патенту RU №147511 U1, МПК Н04В 1/18, опубл. 10.11.2014 г. Бюл. №31), содержащее антенную систему из трех антенн, каждая из которых связана с соответствующим малошумящим усилителем (МШУ), трехканальный приемник, входы которого связаны с входами малошумящих усилителей, а выход подключен к трехканальному процессору первичной обработки сигналов, и местный генератор, отличающее тем, что оно снабжено дополнительной антенной для осуществления функций самоконтроля, вторым трехканальным приемником, входы которого связаны с выходами малошумящих усилителей, а выход подключен ко второму трехканальному процессору первичной обработки сигналов, и двумя процессорами вторичной обработки сигналов, каждый из которых связан с устройством автоматики и контроля и соответствующим трехканальным процессором первичной обработки сигналов через преобразователь RS-232-485, при этом местный генератор является генератором контрольного сигнала и состоит из двух идентичных модулей, одни из выходов которых связаны с дополнительной антенной, другие выходы - с устройством автоматики и контроля, а вход каждого из указанных модулей подключен к выходу соответствующего процессора первичной обработки сигналов, и приемник GPS, связанный через интерфейс RS-232 с процессорами вторичной обработки сигналов для синхронизации обработки сигналов с Всемирным координированным временем UTC, и источник бесперебойного питания.

Недостатком устройства является его большая аппаратная сложность.

Наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемому изобретению являются Системы и методы автоматического зависимого наблюдения (см. патент US №8072374 В2 «Automatic dependant surveillance systems and methods)), опубл. 06.12.2011 г.), в части радиочастотного приемника для сигналов частотой 1090 МГц, содержащего усилитель, вход которого является входом радиочастотного приемника, радиочастотный полосовой фильтр на 1090 МГц, вход которого соединен с выходом усилителя, первый гетеродин, первый радиочастотный смеситель, первый вход которого подключен к выходу первого гетеродина, а второй вход подключен к выходу радиочастотного полосового фильтра на 1090 МГц, первый фильтр промежуточной частоты, вход которого соединен с выходом первого радиочастотного смесителя, второй гетеродин, второй радиочастотный смеситель, первый вход которого подключен к выходу второго гетеродина, а второй вход подключен к выходу первого фильтра промежуточной частоты, второй фильтр промежуточной частоты, вход которого соединен с выходом второго радиочастотного смесителя, усилитель промежуточной частоты, вход которого подключен к выходу второго фильтра промежуточной частоты, логарифмический усилитель и детектор, вход которого соединен с выходом усилителя промежуточной частоты, аналого-цифровой преобразователь, вход которого подключен к выходу логарифмического усилителя и детектора, FIFO RAM вход которой соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, а выход является выходом радиочастотного приемника.

Недостатком устройства также является его большая аппаратная сложность, а также отсутствие возможности обработки, декодирования и хранения каждого полученного сообщения для последующего его комплексного использования.

Целью изобретения является улучшение характеристик модуля приема сообщений АЗН-В.

Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка многофункционального модуля приема сообщений АЗН-В для малого космического аппарата с уменьшенной аппаратной сложностью и расширенной функциональностью.

Поставленная задача решается тем, что в многофункциональный модуль приема сообщений АЗН-В для малого космического аппарата, содержащий усилитель, радиочастотный фильтр на 1090 МГц, логарифмический усилитель и детектор, аналого-цифровой преобразователь, причем вход усилителя является входом модуля, а выход соединен со входом радиочастотного фильтра на 1090 МГц, введены второй усилитель, второй радиочастотный фильтр на 1090 МГц, дифференциальный усилитель, программируемая логическая интегральная схема, первый и второй генераторы опорной частоты, постоянное запоминающее устройство, UART интерфейс, причем выход фильтра на 1090 МГц соединен со входом второго усилителя, выход которого подключен ко входу второго радиочастотного фильтра на 1090 МГц, выход второго радиочастотного фильтра на 1090 МГц подключен ко входу логарифмического усилителя и детектора, вход дифференциального усилителя соединен с выходом логарифмического усилителя и детектора, а выход подключен ко аналоговому входу аналого-цифрового преобразователя, выходная шина данных которого подключена ко входной шине данных программируемой логической интегральной схемы, а входы управления соединены с программируемой логической интегральной схемой через первый SPI интерфейс, тактируемый вход аналого-цифрового преобразователя соединен с первым генератором опорной частоты, а тактируемый вход программируемой логической интегральной схемы соединен со вторым генератором опорной частоты, входы-выходы постоянного запоминающего устройства подключены к программируемой логической интегральной схеме через второй SPI интерфейс, группа выводов UART интерфейса с одной стороны соединена с UART выводами ПЛИС, а группа выводов UART интерфейса с другой стороны является входами-выходами многофункционального модуля приема сообщений АЗН-В для малого космического аппарата.

Структурная схема многофункционального модуля приема сообщений АЗН-В для малого космического аппарата, представлена на Фиг. 1.

Многофункциональный модуль приема сообщений АЗН-В для малого космического аппарата состоит из элементов, описанных ниже.

Усилитель 1 частоты 1090 МГц - мало шумящий усилитель (МШУ) с коэффициентом шума 1,0-2,0 дБ, усиливающий частоту 1090 МГц на 15 дБ. МШУ обеспечивает чувствительность приемного тракта и компенсирует потери в кабелях и пассивных устройствах. Т.к. входной сигнал на приемнике сильно ослаблен (-126…-120 дБ) и зашумлен, выполняется его усиление перед дальнейшей фильтрацией и детектированием. Для нормального детектирования сигнала необходим его уровень до порядка -70…-65 дБм, т.е. -100…-95 дБ, поэтому он усиливается на 15-31 дБ двумя усилителями. При этом из-за маленького отношения сигнал/шум, входящий усилитель должен обладать как можно меньшим собственным коэффициентом шума. Если входной сигнал сначала не усилить, то последующий полосовой фильтр настолько уменьшит его амплитуду, что невозможно будет различить полезный сигнал от помех при детектировании. Усилитель размещается как можно ближе к антенне, чтобы уменьшить потери в кабелях, разъемах и других устройствах Вход усилителя 1 является входом многофункционального модуля приема сообщений АЗН-В для малого космического аппарата, а выход соединен со входом радиочастотного фильтра на 1090 МГц 2.

Радиочастотный фильтр на 1090 МГц 2 - полосовой фильтр с центральной частотой полосы пропускания 1090 МГц, ширина полосы 30 МГц, подавление частот вне полосы пропускания 25-50 дБ. Полосовой фильтр обеспечивает фильтрацию полосы полезного сигнала и подавление шумов и помех вне полосы. Полосовой фильтр выбран с шириной 30 МГц чтобы не отфильтровать слабый полезный входной сигнал вместе с помехами и не внести в него дополнительные искажения. В схеме используется два фильтра, первый - шириной полосы 30 МГц, а второй - шириной полосы 6 МГц. Два фильтра используются для достижения фильтрации более 50-60 дБ. Полоса 6 МГц второго фильтра выбрана из следующих соображений: - чем она меньше, тем лучше, но фильтр должен пропускать импульсы 0,5 мкс (определяется входным сигналом) и не сглаживать фронты. В таком случае расчет ширины фильтра выглядит как 1/0,5 мкс/0,35=5,7 МГц. Выход радиочастотного фильтра на 1090 МГц 2 соединен со входом второго усилителя 3.

Второй усилитель 3 частоты 1090 МГц - мало шумящий усилитель с коэффициентом шума 1,0-2,0 дБ, усиливающий частоту 1090 МГц на 25-40 дБ, полоса усиления фильтра не менее 10 МГц. МШУ обеспечивает чувствительность приемного тракта и компенсирует потери в кабелях и пассивных устройствах. Второй усилитель 3 частоты 1090 МГц предназначен для дополнительного усиления сигнала после его предварительной фильтрации, т.к. первый усилитель недостаточно усилил его для детектирования и в процессе фильтрации сигнал ослабевает на несколько децибел. Выход второго усилителя 3 частоты 1090 МГц подключен ко входу второго радиочастотного фильтра на 1090 МГц 4.

Второй радиочастотный фильтр на 1090 МГц 4 - полосовой фильтр с центральной частотой полосы пропускания 1090 МГц, ширина полосы 6 МГц, подавление частот вне полосы пропускания 25-50 дБ. Полосовой фильтр обеспечивает фильтрацию полосы полезного сигнала и подавление шумов и помех вне полосы. Второй радиочастотный фильтр на 1090 МГц 4 осуществляет окончательную фильтрацию сигнала до ширины полосы, необходимой для нормального дальнейшего детектирования, его выход соединен со входом логарифмического усилителя и детектора 5.

Логарифмического усилитель и детектор 5 - детектор (или логарифмический детектор) с рабочей полосой, включающей частоту 1090 МГц, и динамическим диапазоном по входу не менее 40 дБ. Детектор осуществляет детектирование огибающей сигнала частотой 2 МГц по несущей 1090 МГц, тем самым выделяя полезный сигнал, необходимый для дальнейшего декодирования. Выход логарифмического усилителя и детектора 5 соединен со входом дифференциального усилителя 6.

Дифференциальный усилитель 6 преобразует, усиливает и одновременно согласует однопроводный сигнал с дифференциальным входом аналого-цифрового преобразователя 7. Выполняет окончательное усиление (согласование по уровням) полученного с логарифмического усилителя и детектора 5 сигнала и преобразует его в дифференциальный, необходимый для нормальной работы аналого-цифрового преобразователя 7.

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 7 - аналого-цифровой преобразователь с частотой оцифровки 6-60 МГц, количеством бит 14, полосой пропускания, включающей полосу частот от 0,5-6 МГц. АЦП выполняет оцифровывание детектированного сигнала на частоте 12-16 МГц и передачу оцифрованного сигнала в программируемую логическую интегральную схему (в нашем случае - частота выбрана как минимальная для детектирования Манчестерского кода частотой 2 МГц; для сигнала 2 МГц - достаточно 4 МГц оцифровки, но для полосы 6 МГц - нужно от 12 МГц). Количество бит оцифрованного сигнала - 14 (количество бит определяется динамическим диапазоном (ДД) сигнала с детектора, т.к. он логарифмический, то ДД мал и достаточно будет 6-8 бит, но для улучшения чувствительности можно использовать более качественные АЦП с разрядностью 12-16 бит). Режим работы АЦП задается программируемой логической интегральной схемой через первый SPI 1 интерфейс. Выходная шина данных аналого-цифрового преобразователя 7 подключена ко входной шине данных программируемой логической интегральной схемы 9.

Первый генератор опорной частоты 8 - кварцевый генератор опорной частоты 16 МГц для АЦП. Кварцевый генератор задает опорную частоту для работы АЦП, а также тактирует данные, поступающие в программируемую логическую интегральную схему. Его выход подключен к тактируемому входу аналого-цифрового преобразователя 7.

Программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС) 9 - программируемая логическая интегральная схема, в качестве которой выбрана отечественная ПЛИС. Основные функции ПЛИС - декодирование, проверка целостности, комплексирование, хранение во флэш памяти и передача сообщений АЗН-В. Также ПЛИС осуществляет конфигурирование и настройку АЦП посредством первого SPI 1 интерфейса. Передача декодированных полученных сообщений АЗН-В осуществляется посредством UART интерфейса, группа выводов которого с одной стороны соединена с UART выводами ПЛИС, а группа выводов UART интерфейса с другой строны является входами-выходами многофункционального модуля приема сообщений АЗН-В для малого космического аппарата.

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 10 - модуль флэш памяти, предназначен для хранения сообщений объемом не менее 1 ГБ, подключен к программируемой логической интегральной схеме 9 через второй SPI 2 интерфейс.

Второй генератор опорной частоты 11 - кварцевый генератор опорной частоты 20 МГц для ПЛИС. Кварцевый генератор задает опорную частоту для работы ПЛИС. Его выход подключен к тактируемому входу программируемой логической интегральной схемы 9.

Многофункциональный модуль приема сообщений АЗН-В для малого космического аппарата работает следующим образом. После включения питания происходит инициализация ПЛИС 9. Сразу после этого, при успешной инициализации, ПЛИС осуществляет конфигурирование АЦП 7 через первый SPI 1 интерфейс. В процессе конфигурирования АЦП 7 выполняется калибровка и запись параметров в настроечные регистры АЦП 7, в результате чего задается режим его работы. Далее модуль переходит в режим приема, декодирования, проверки, комплексирования, хранения и передачи сообщений АЗН-В. В этом режиме поступающий на вход устройства зашумленный ослабленный сигнал АЗН-В усиливается малошумящим усилителем 1, затем он передается на первый радиочастотный фильтр на 1090 МГц 2, который осуществляет предварительную фильтрацию усиленного сигнала на частоте 1090 МГц шириной 30 МГц. При этом происходит ослабление сигнала в фильтре и кабелях порядка 2-3 дБ. Далее сигнал опять усиливается вторым малошумящим усилителем 3 и фильтруется более узким полосовым фильтром на частоте 1090 МГц 4 шириной 6 МГц. Полученный сигнал в последующем детектируется логарифмическим детектором 5. Логарифмический детектор 5 обладает высокой чувствительностью по сравнению с аналогами. В дальнейшем полученный аналоговый сигнал оцифровывается с помощью быстродействующего АЦП 7 с дифференциальным входом. Для преобразования детектированного однопроводного сигнала в дифференциальный, на входе АЦП стоит дифференциальный усилитель 6 с дифференциальным выходом. Выходными сигналами АЦП 7 являются оцифрованные данные (14 бит) и тактовый дифференциальный сигнал, которые подаются на ПЛИС 9. ПЛИС 9 выполняет декодирование, проверку целостности, комплексирование, хранение во флэш памяти 10 и передачу полученных АЗН-В сообщений через UART интерфейс. Все эти функции ПЛИС выполняет одновременно, в параллельно-конвейерном режиме, за счет этого осуществляется расширение функциональности модуля приема сообщений АЗН-В, а также исключается потеря сообщений из-за задержки в их обработке.

Изобретение относится к радиолокационной и вычислительной технике, которая применяется для управления воздушным движением, опознавания, измерения расстояний в навигационных системах, определение положения воздушных судов, главным образом путем приема и обработки сигналов на частоте 1090 МГц, передаваемых с летательных аппаратов - сигналов АЗН-В (Автоматическое зависимое наблюдение в режиме радиовещания). Техническим результатом является уменьшение аппаратной сложности многофункционального модуля приема сообщений АЗН-В для малого космического аппарата (КА) и исключение потери сообщений АЗН-В из-за задержки. Упомянутый технический результат достигается тем, что ПЛИС (программируемая логическая интегральная схема), входящая в состав многофункционального модуля приема сообщений АЗН-В для малого КА, выполняет одновременно, в параллельно-конвейерном режиме: декодирование, проверку целостности, комплексирование, хранение во флэш памяти и передачу полученных АЗН-В сообщений через UART интерфейс. Многофункциональный модуль приема сообщений АЗН-В для малого КА содержит усилитель, радиочастотный фильтр на 1090 МГц, второй усилитель, второй радиочастотный фильтр на 1090 МГц, логарифмический усилитель и детектор, дифференциальный усилитель, аналого-цифровой преобразователь, ПЛИС, первый и второй генераторы опорной частоты, постоянное запоминающее устройство, UART интерфейс, причем выходная шина данных аналого-цифрового преобразователя подключена ко входной шине данных ПЛИС, а входы управления соединены через первый SPI интерфейс с ПЛИС, тактируемый вход аналого-цифрового преобразователя соединен с выходом первого генератора опорной частоты, а тактируемый вход ПЛИС соединен с выходом второго генератора опорной частоты, входы-выходы постоянного запоминающего устройства подключены к ПЛИС через второй SPI интерфейс, группа выводов UART интерфейса с одной стороны соединена с UART выводами ПЛИС, а группа выводов UART интерфейса с другой стороны является входами-выходами многофункционального модуля приема сообщений АЗН-В для малого космического аппарата. 1 ил.

Многофункциональный модуль приема сообщений автоматического зависимого наблюдения-вещания (АЗН-В) для малого космического аппарата, содержащий усилитель, радиочастотный фильтр на 1090 МГц, логарифмический усилитель и детектор, аналого-цифровой преобразователь, причем вход усилителя является входом модуля, а выход соединен со входом радиочастотного фильтра на 1090 МГц, отличающийся тем, что он содержит второй усилитель, второй радиочастотный фильтр на 1090 МГц, дифференциальный усилитель, программируемую логическую интегральную схему, первый и второй генераторы опорной частоты, постоянное запоминающее устройство, UART интерфейс, причем выход фильтра на 1090 МГц соединен со входом второго усилителя, выход которого подключен ко входу второго радиочастотного фильтра на 1090 МГц, выход второго радиочастотного фильтра на 1090 МГц подключен ко входу логарифмического усилителя и детектора, вход дифференциального усилителя соединен с выходом логарифмического усилителя и детектора, а выход подключен к аналоговому входу аналого-цифрового преобразователя, выходная шина данных которого подключена к входной шине данных программируемой логической интегральной схемы, а входы управления соединены с программируемой логической интегральной схемой через первый SPI интерфейс, тактируемый вход аналого-цифрового преобразователя соединен с выходом первого генератора опорной частоты, а тактируемый вход программируемой логической интегральной схемы соединен с выходом второго генератора опорной частоты, входы-выходы постоянного запоминающего устройства подключены к программируемой логической интегральной схеме через второй SPI интерфейс, группа выводов UART интерфейса с одной стороны соединена с UART выводами ПЛИС, а группа выводов UART интерфейса с другой стороны является входами-выходами многофункционального модуля приема сообщений АЗН-В для малого космического аппарата.