Патент на изобретение №2195685

(54) ПРИЕМНИК АППАРАТУРЫ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ СИГНАЛОВ ГЛОБАЛЬНЫХ СПУТНИКОВЫХ РАДИОНАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области спутниковой радионавигации и может быть использовано в трактах первичной обработки информации НАП сигналов глобальных спутниковых навигационных систем GPS “Навстар” (США) и “Глонасс” (Россия). Приемник аппаратуры потребителей сигналов глобальных спутниковых радионавигационных систем содержит две антенны, два полосовых фильтра-преселектора, три малошумящих усилителя, сверхвысокочастотный коммутатор, опорный термостатированный генератор, два формирователя сетки опорных частот, пять смесителей, пять полосовых фильтров, три усилителя промежуточной частоты, два блока автоматической регулировки усиления, два фильтра нижних частот и два аналого-цифровых преобразователя, дополнительно включает в себя блок калибратора и четвертый усилитель промежуточной частоты. Достигаемым техническим результатом изобретения является возможность осуществлять калибровку приемно-усилительного тракта заявляемого устройства, автоматизированный контроль целостности работы навигационных спутников систем “Глонасс” и “Навстар”, а также проверку работоспособности приемника аппаратуры потребителей сигналов глобальных спутниковых радионавигационных систем, повышение надежности работы НАП сигналов глобальных спутниковых навигационных систем “Навстар” и “Глонасс” при ее установке на гражданских самолетах и вертолетах, снижение и строгий учет неравномерности группового времени запаздывания в канале приема и обработки литерных частот НС системы “Глонасс”. 5 ил.

Изобретение относится к области спутниковой радионавигации и может быть использовано в трактах первичной обработки информации навигационной аппаратуры потребителей (НАП) сигналов глобальных спутниковых навигационных систем GPS “Навстар” (США) и “Глонасс” (Россия).

Известен приемник сигналов навигационных спутников (НС) сигналов GPS “Навстар” и “Глонасс” [1], содержащий антенну, малошумящий усилитель (МШУ), диплексор, разветвитель сигналов, опорный термостатированный генератор, многоступенчатый синтезатор частот, четырехканальный приемный модуль системы “Глонасс”, каждый из каналов которого содержит, в свою очередь, смеситель (СМ), усилитель промежуточной частоты (УПЧ) и аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Такое построение обусловлено тем, что каждый космический аппарат системы “Глонасс” излучает сигнал своей несущей частоты. Устройство [1] содержит также шестиканальный приемный модуль системы GPS “Навстар”, который содержит смеситель, усилитель промежуточной частоты и аналого-цифровой преобразователь.

Достоинство комбинированного приемника [1] заключается в возможности работы с сигналом двух спутниковых радионавигационных систем – системы “Глонасс” и системы “Навстар”. При этом обеспечиваются непрерывность и достаточно высокая точность измерения вектора навигационных параметров приемоиндикаторами, в которых используется данный приемник.

Недостатком приемника [1] является наличие сложного многоступенчатого синтезатора частот, который обеспечивает обработку информации НС системы “Глонасс” путем разбиения рабочей полосы частот на 4 поддиапазона. Такой подход требует существенного усложнения программно-математического обеспечения аппаратуры потребителей для обеспечения оперативного управления переключением рабочих каналов приемника. Кроме того, применение в приемнике [1] в качестве аналого-цифрового преобразователя двухстороннего предельного ограничителя с последующим преобразованием аналог – цифра приводит к энергетическим потерям, равным 0,96 дБ, а также не позволяет компенсировать негауссовские помехи, которые имеют место, например, при установке навигационной аппаратуры потребителей на высокодинамичных объектах (самолетах, вертолетах, подводных лодках и т.д.).

Указанные недостатки частично устранены в приемнике аппаратуры потребителей спутниковых радионавигационных систем [2], который содержит две антенны, два полосовых фильтра-преселектора, первый, второй и третий малошумящие усилители, сверхвысокочастотный коммутатор (СВЧ-коммутатор), опорный термостатированный генератор, формирователь сетки опорных частот (ФСОЧ), фазовращатель, первый и второй смесители, первый, второй и третий полосовые фильтры (ПФ), первый и второй усилители промежуточной частоты, первый и второй блоки автоматической регулировки усиления (АРУ) и аналого-цифровой преобразователь, выход которого служит выходом приемника.

Устройство [2] обеспечивает возможность одновременного приема и обработки в диапазоне рабочих частот сигналов космических аппаратов СРНС “Глонасс” и “Навстар”, что позволяет производить высокоскоростную и высокоточную обработку сигналов в различных классах навигационной аппаратуры потребителей.

Однако, как показывает опыт разработки и эксплуатации устройства [2], одновременная обработка сигналов навигационных спутников в широкой полосе частот (f=48 МГц) требует для обеспечения необходимой точности работы прибора частоты дискретизации АЦП, равной не менее 100 МГц. Такая высокая величина частоты дискретизации при дальнейшей обработке информации в цифровой форме требует специальных конструктивных и технических мер для обеспечения работоспособности системы в целом, например, при переходе от арсенид-галлиевой технологии, на основе которой реализован АЦП устройства [2], к КМОП (или БИ КМОП) технологии, на основе которой реализованы узлы остальных блоков навигационной аппаратуры потребителей. Это, в свою очередь, приводит к увеличению потребляемой мощности, габаритных размеров, а также к существенному удорожанию навигационной аппаратуры потребителей.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является приемник аппаратуры потребителей сигналов глобальных спутниковых радионавигационных систем [3], содержащий две антенны, два полосовых фильтра-преселектора, первый-третий малошумящие усилители, сверхвысокочастотный коммутатор, опорный термостатированный генератор, выход которого подключен соответственно к выходам первого и второго формирователей сетки опорных частот, фазовращатель, первый-седьмой смесители, первый-третий усилители промежуточной частоты, первый-третий фильтры нижних частот (ФНЧ), первый-четвертый полосовые фильтры, первый-третий усилители нижних частот (УНЧ), первый и второй блоки автоматической регулировки усиления, первый-третий аналого-цифровые преобразователи.

Достоинством устройства-прототипа [3] является возможность одновременного приема и независимой обработки сигналов навигационных спутников глобальных космических навигационных систем (КНС) “Глонасс” и “Навстар” в двух разных каналах обработки информации и, как следствие, существенное снижение промежуточных рабочих частот и частот дискретизации аналого-цифровых преобразователей.

Недостатками устройства-прототипа [3] являются:
а) отсутствие в нем специального блока калибровки приемно-усилительного тракта, что не позволяет проводить в любой момент времени автоматизированный контроль целостности работы навигационных спутников систем “Глонасс” и GPS “Навстар”, а также работоспособности навигационной аппаратуры потребителей, что не соответствует одному из основных требований стандарта ARING-743A и принципиально не позволяет применять устройство-прототип [3] для установки на гражданских и спортивных самолетах и вертолетах;
б) в устройстве-прототипе [3] встроенная антенна автоматически отключается при подключении внешней антенны. Однако при установке его на самолетах или вертолетах в случае выхода внешней антенны или встроенного в нее малошумящего усилителя из строя НАП, в составе которой содержится устройство-прототип [3] , прекращает определять координаты и скорость летательного аппарата, на котором оно установлено, что существенно снижает надежность работы бортового навигационного комплекса и, как следствие, безопасность полетов гражданских самолетов и вертолетов;
в) наличие в устройстве-прототипе [3] в канале приема и обработки НС сигналов системы “Глонасс” синфазного и квадратурного каналов приема и обработки информации требует, во-первых, двукратного увеличения аппаратурных затрат, во-вторых, применения дорогостоящих фильтров с линейной фазочастотной характеристикой для обеспечения минимальной неравномерности времени группового запаздывания (ГВЗ) сигнала в приемно-усилительном тракте. Опыт показывает, что минимизировать неравномерность ГВЗ даже в одном канале, а также обеспечить его равенство в двух различных каналах приема – это весьма сложная задача. В случае наличия синфазной и квадратурной составляющих приема НС системы “Глонасс” задача минимизации и строгого учета неравномерности ГВЗ практически невыполнима (особенно при массовом производстве) из-за необходимости полной идентичности электрических и конструктивных величин двух (синфазного и квадратурного) каналов приема и обработки информации сигналов НС “Глонасс”.

В заявляемом устройстве достигнута возможность решения следующих задач:
– возможность калибровки, автоматизированного контроля целостности работы НС систем “Глонасс” и GPS “Навстар”, а также проверки работоспособности приемника аппаратуры потребителей сигналов НС глобальных спутниковых радионавигационных систем, что соответствует требованию стандарта ARING-743A и позволяет ее использовать в НАП для определения вектора навигационных параметров гражданских самолетов и вертолетов:
– наличие двух независимых приемных антенн дает возможность существенного повышения надежности работы НАП (в которой используется заявляемое устройство) при ее установке на гражданских самолетах и вертолетах, вплоть до обеспечения требований категорированной посадки высшей сложности;
– предусмотрена возможность снижения и строгого учета неравномерности ГВЗ в канале приема и обработки литерных частот НС системы “Глонасс”, что улучшает точностные характеристики измерения вектора навигационных параметров в НАП, где оно используется.

Указанные преимущества заявляемого устройства перед прототипом достигаются за счет того, что в приемник аппаратуры потребителей сигналов глобальных спутниковых радионавигационных систем, содержащий две антенны, входы которых являются первым и вторым информационными входами приемника, два полосовых фильтра-преселектора, первый-третий малошумящие усилители, сверхвысокочастотный коммутатор, вход управления которого служит первым входом управления приемника, опорный термостатированный генератор, выход которого подключен одновременно к входам первого и второго формирователей сетки опорных частот, первый-пятый смесители, первый-четвертый полосовые фильтры, первый-третий усилители промежуточной частоты, первый и второй блоки автоматической регулировки усиления, первый и второй фильтры нижних частот, первый и второй аналого-цифровые преобразователи, выходы которых являются соответственно первым и вторым информационными выходами приемника, дополнительно введены блок калибратора и четвертый усилитель промежуточной частоты.

Причем первый и второй входы управления блока калибратора являются соответственно вторым и третьим входами управления приемника, а тактовый вход блока калибратора подсоединен к выходу опорного термостатированного генератора. Выход первой антенны соединен с входом первого фильтра-преселектора, выход которого соединен с входом первого малошумящего усилителя, выход которого соединен с первым информационным входом СВЧ-коммутатора, второй информационный вход которого подключен к выходу второго малошумящего усилителя, входом соединенного с выходом второго фильтра-преселектора, вход которого соединен с выходом второй антенны.

Выход СВЧ-коммутатора подключен к первому входу третьего малошумящего усилителя, причем второй и третий входы третьего малошумящего усилителя подсоединены соответственно к первому и второму информационным выходам блока калибровки, выход третьего малошумящего усилителя подключен одновременно к входам первого и второго полосовых фильтров, выход первого полосового фильтра подсоединен к первому входу первого смесителя, выход которого соединен с входом третьего полосового фильтра, соединенного выходом с входом первого усилителя промежуточной частоты, выход которого подключен к первому входу второго смесителя, выходом подключенного к входу четвертого полосового фильтра, выход которого подключен к первому входу третьего смесителя, выходом подключенного к входу первого фильтра нижних частот, выходом подключенного к первому входу второго усилителя промежуточной частоты, прямой и инверсный выходы которого соответственно подсоединены к первому и второму информационным входам первого аналого-цифрового преобразователя.

Прямой выход второго усилителя промежуточной частоты подключен также к входу первого блока автоматической регулировки усиления, выход которого подключен одновременно ко второму входу первого усилителя промежуточной частоты и второму входу второго усилителя промежуточной частоты, первый выход первого формирователя сетки опорных частот подключен ко второму входу первого смесителя, второй выход первого формирователя сетки опорных частот подсоединен ко второму входу второго смесителя. Третий выход первого формирователя сетки опорных частот соединен со вторым входом третьего смесителя, четвертый выход первого формирователя сетки опорных частот подключен к управляющему входу первого аналого-цифрового преобразователя, причем выход второго полосового фильтра подсоединен к первому входу четвертого смесителя, подключенного выходом к входу пятого полосового фильтра, подключенного выходом к первому входу третьего усилителя промежуточной частоты, выход которого подсоединен к первому входу пятого смесителя, выходом подсоединенного к входу второго фильтра нижних частот, выход которого подсоединен к первому входу четвертого усилителя промежуточной частоты, прямой и инверсный выходы которого подключены соответственно к первому и второму информационным входам второго аналого-цифрового преобразователя.

Прямой выход четвертого усилителя промежуточной частоты подключен также к входу второго блока автоматической регулировки усиления, выходом соединенного со вторыми входами третьего и четвертого усилителей промежуточной частоты, причем первый выход второго формирователя сетки опорных частот подключен ко второму входу четвертого смесителя, второй выход второго формирователя сетки опорных частот соединен со вторым входом пятого смесителя, третий выход второго формирователя сетки опорных частот подсоединен к входу управления второго аналого-цифрового преобразователя приемника аппаратуры потребителей сигналов глобальных спутниковых радионавигационных систем.

Сущность изобретения поясняют чертежи, причем:
на фиг. 1 представлена функциональная схема приемника аппаратуры потребителей сигналов глобальных спутниковых радионавигационных систем;
на фиг.2 – функциональная схема блока калибратора;
на фиг.3 – структурная схема первого формирователя сетки опорных частот;
на фиг.4 – структурная схема первого многоступенчатого делителя частоты;
на фиг.5 – вариант реализации узла аналого-цифрового преобразователя.

Согласно изобретению, приемник аппаратуры потребителей сигналов глобальных спутниковых радионавигационных систем (фиг.1) содержит антенну 1, выход которой подключен к входу широкополосного фильтра-преселектора 2, выходом соединенного с входом первого малошумящего усилителя 3, выходом соединенного с первым информационным входом СВЧ-коммутатора 4. Второй информационный вход СВЧ-коммутатора 4 подключен к выходу второго малошумящего усилителя 5, вход которого подсоединен к выходу второго широкополосного фильтра-преселектора 6, входом подключенного к выходу второй антенны 7. Выбор антенны (обозначенной на фиг.1 номером 1 или номером 7), по которой в i-ый момент времени выполняется прием и обработка НС, осуществляется путем подачи потенциального логического сигнала с центрального процессора НАП, в составе которой используется заявляемое устройство, причем, если на управляющий вход СВЧ-коммутатора 4 поступает сигнал логической единицы, то заявляемый приемник осуществляет прием и обработку сигналов НС с помощью антенны 1, а если на управляющий вход блока 4 поступает сигнал логического нуля, то прием и обработка сигналов НС в заявляемом устройстве осуществляется с помощью антенны 7.

Выход СВЧ-коммутатора 4 подключен к первому входу третьего малошумящего усилителя 8, второй и третий входы которого подсоединены соответственно к первому и второму выходам блока 9 калибратора. Первый и второй входы управления блока 9 калибратора служат соответственно вторым и третьим входами управления приемника. Выход МШУ 8 подсоединен одновременно к входам первого полосового фильтра 10 и второго полосового фильтра 11. Выход полосового фильтра 10 подключен к первому входу смесителя 12. Выход смесителя 12 подключен к входу третьего полосового фильтра 13, соединенного выходом с первым входом первого усилителя 14 промежуточной частоты, выход которого подключен к первому входу второго смесителя 15, выходом подключенного к входу четвертого полосового фильтра 16. Выход полосового фильтра 16 соединен с первым входом третьего смесителя 17, выходом соединенного с входом первого фильтра 18 нижних частот, выход которого подключен к входу второго усилителя 19 промежуточной частоты, прямой и инверсный выходы которого соединены соответственно с первым и вторым информационными входами первого аналого-цифрового преобразователя 20. Прямой выход УПЧ 19 подключен также к входу блока 21 автоматической регулировки усиления, выход которого подсоединен одновременно ко второму входу УПЧ 14 и второму входу УПЧ 19.

Второй вход смесителя 12 подключен к первому выходу первого формирователя 22 сетки опорных частот, второй выход которого подключен ко второму входу смесителя 15, третий выход – ко второму входу смесителя 17, четвертый выход – к управляющему входу аналого-цифрового преобразователя 20. Вход первого формирователя 22 сетки опорных частот подсоединен одновременно к выходу опорного термостатированного генератора 23, входу второго формирователя 24 сетки опорных частот и тактовому входу блока 9 калибратора. Выход второго полосового фильтра 11 подключен к первому входу четвертого смесителя 25. Выход четвертого смесителя 25 подключен к входу пятого полосового фильтра 26, выходом подключенного к первому входу третьего УПЧ 27, выходом подсоединенного к первому входу пятого смесителя 28. Выход смесителя 28 подключен к входу второго ФНЧ 29, выходом подключенного к входу усилителя промежуточной частоты 30, прямой и инверсный выходы которого подсоединены соответственно к первому и второму информационным входам второго АЦП 31. Прямой выход УПЧ 30 соединен также с входом второго блока 32 автоматической регулировки усиления, выходом подключенного одновременно ко вторым входам усилителей промежуточной частоты 27 и 30. Выходы АЦП 20 и 31 служат первым и вторым информационными выходами заявляемого устройства. Первый выход второго формирователя 24 сетки опорных частот подключен ко второму входу смесителя 25, второй – ко второму входу смесителя 28, третий – к управляющему входу АЦП 31.

Блок 9 калибратора (фиг.1 и 2) содержит фазовые модуляторы 33 и 34, первые входы которых служат соответственно вторым и третьим входами управления заявляемого приемника, фазовый детектор 35, первый вход которого подсоединен одновременно к выходу опорного термостатированного генератора 23 и входам первого 22 и второго 24 формирователей сетки опорных частот соответственно. Выход блока 35 подключен к выходу фильтра нижних частот 36, выходом подключенного к входу генератора 37, управляемого напряжением (ГУН). Выход ГУН 37 подсоединен к входу многоступенчатого делителя частоты 38, первый выход которого подключен ко второму входу фазового детектора 35. Второй и третий выходы многоступенчатого делителя частоты 38 подключены ко вторым входам блоков 33 и 34 соответственно.

Выходы первого 33 и второго 34 фазовых модуляторов подсоединены соответственно к первому и второму входам аттенюатора 39, первый выход которого подсоединен к входу первого ферритового вентиля 40, второй выход – к входу второго ферритового вентиля 41. Выход первого ферритового вентиля 40 подсоединен ко второму входу МШУ 8, а выход второго ферритового вентиля 41 подключен к третьему входу МШУ 8.

Формирователь 22 сетки опорных частот (фиг.1, 3) содержит импульсный фазовый детектор 42 и частотный детектор 43, первые входы которых объединены между собой и подключены к выходу опорного термостатированного генератора 23. Выходы блоков 42 и 43 соединены с первым и вторым входами сумматора 44, первый и второй выходы которого соединены с управляющими входами ключей 45 и 46. Вторые управляющие входы ключей 45 и 46 подключены соответственно к положительному потенциалу питающего напряжения и нулевому потенциалу. Выходы ключей 45 и 46 объединены между собой и соединены с входом фильтра 47 нижних частот, поддерживая, таким образом, на входе указанного фильтра стабильный входной ток. Выход фильтра нижних частот 47 подключен к входу генератора 48, управляемого напряжением, выход которого подключен одновременно к смесителю 12 и к входу многоступенчатого делителя 49 частоты, первый выход которого подключен ко вторым входам блоков 42 и 43, образуя тем самым кольцо фазовой автоподстройки частоты. Второй выход делителя 49 подключен к смесителю 15, третий выход – к смесителю 17, четвертый – к управляющему входу АЦП 20.

Многоступенчатый делитель 49 частоты (фиг.2 и 4) содержит счетчик-делитель (N=5) 50, тактовый вход которого соединен с выходом ГУН 48 и является входом многоступенчатого делителя 49 частоты. Выход счетчика-делителя 50 подключен одновременно к тактовым входам Т-триггера 51, счетчика-делителя (N= 9) 52 и счетчика-делителя (N=28) 53. Выход ГУН 48 соединен также с тактовым входом счетчика-делителя (N= 56) 54. Выход Т-триггера 51 подключен к входу смесителя 15, выход счетчика-делителя 52 соединен с входом смесителя 17, выход счетчика-делителя 53 соединен со вторыми входами импульсного фазового детектора 42 и частотного детектора 43 соответственно. Кроме того, выход счетчика-делителя 54 соединен с входом управления аналого-цифрового преобразователя 20.

Заметим, что формирователь 24 сетки опорных частот имеет аналогичную структуру и состав блоков и отличается только номиналами формируемых опорных частот.

Аналого-цифровой преобразователь 20 (фиг.1 и 5) включает в себя компараторы 55 и 56, интегратор 57, элемент ИЛИ 58. Первый вход компаратора 55 соединен с прямым выходом усилителя 19 промежуточной частоты, инверсный выход последнего подключен к первому входу компаратора 56. Выход компаратора 55 является первым выходом приемника (выход I1), причем он соединен также с первым входом элемента ИЛИ 58. Выход компаратора 56 является вторым выходом первого информационного канала приемника (выход I2), причем он соединен со вторым входом элемента ИЛИ 58. Выход элемента ИЛИ 58 подключен к входу интегратора 57, выход которого соединен одновременно со вторыми входами компараторов 55 и 56. Третьи (управляющие) входы компараторов 55 и 56 подключены к соответствующему выходу формирователя 22 сетки опорных частот.

Заметим, что АЦП 31 имеет аналогичную структуру и состав элементов.

Заявляемое устройство работает следующим образом. На вход антенны 1 приемника поступают сигналы навигационных спутников спутниковых радионавигационных систем “Глонасс” и “Навстар” Si(t), которые в общем случае имеют вид

где А(t) – флуктуирующая в точке приема амплитуда сигнала НС;
Р_i(t) – псевдослучайная огибающая сигнала i-го НС;
D_i(t) – навигационное сообщение i-го НС;
_i – несущая частота i-го НС;
_i – значение доплеровского сдвига частоты;
t – текущее время;
_i – начальная фаза несущей i-го НС;
_з – время задержки на трассе распространения НС – потребитель.

Амплитудно-частотная характеристика приемного тракта заявляемого устройства определяется спектрами частот принимаемых сигналов. Спектр частот сигналов системы НС GPS “Навстар” при работе по коду общего применения С/А составляет 1575,421,023 МГц, а спектр частот сигналов НС системы “Глонасс” при работе по коду пониженной точности (ПТ) составляет 1602-1617 МГц. Это означает, что общая полоса частот принимаемых сигналов равна 1574,4f1617 МГц, т.е. занимаемая полоса частот f составляет примерно 43 МГц.

С выхода антенны 1 сигнал поступает на вход широкополосного фильтра-преселектора 2, который служит для ограничения полосы частот принимаемых сигналов в диапазоне 1574,4-1617 МГц. Указанный фильтр, который может быть выполнен, например, на объемных диэлектрических резонаторах, реализует аппроксимацию Баттерворта или Кауэра с линейной фазочастотной характеристикой (ФЧХ) в полосе пропускания, при этом порядок фильтра равен четырем. Для того чтобы соответствовать стандарту ARING-743A, он должен гарантированно обеспечивать ослабление на частотах f1,525 ГГц не менее 30 дБ, а на частотах f1,625 ГГц не менее 35 дБ. С выхода фильтра 2 сигнал поступает на вход малошумящего усилителя 3, где происходит предварительное усиление сигнала, который затем поступает на первый вход СВЧ-коммутатора 4. Указанный СВЧ-коммутатор 4, который может быть выполнен, например, на p-i-n диодах, обеспечивает возможность работы по одной из антенн (обозначенных на фиг.1 номером 1 или номером 7). Выбор конкретной антенны, по которой в i-ый момент времени выполняются прием и обработка навигационных спутников, осуществляется путем подачи потенциального сигнала (логического нуля или единицы) с центрального процессора НАП, в которой используется заявляемый приемник.

В случае работы на антенну 1 на управляющий вход СВЧ-коммутатора 4 подается сигнал логической единицы, при этом блоки 5, 6 и 7 отключаются. Если на управляющий вход блока 4 подан логический нуль, отключаются блоки 1, 2 и 3, причем с выхода антенны 7 сигнал поступает на вход широкополосного фильтра-преселектора 6, назначение, тип и параметры которого аналогичны фильтру 2. С выхода фильтра 6 сигнал поступает на вход малошумящего усилителя 5, функции которого аналогичны функциям устройства 3. Малошумящие усилители 3 и 5 выполнены на основе арсенид-галлиевых транзисторов с барьером Шоттки. Параметры МШУ 3 и 5 таковы: коэффициент усиления 35 дБ, диапазон принимаемых частот 1-8 ГГц при неравномерности амплитудно-частотной характеристики 1 дБ и коэффициенте шума 1,5 дБ. Выход МШУ 5 соединен со вторым входом СВЧ-коммутатора 4. Параметры СВЧ-коммутатора 4, выполненного на основе p-i-n диодов типа 2А547А, таковы: полоса допустимых рабочих частот 0,6-9 ГГц, величина потерь пропускания открытого канала 1,5 дБ, коэффициент стоячей волны равен 1,8.

В дальнейшем сигнал с выхода СВЧ-коммутатора 4 поступает на первый вход малошумящего усилителя 8, параметры которого аналогичны МШУ 3 и 5. Он предназначен для дальнейшего усиления принимаемых сигналов НС глобальных космических систем “Глонасс” и “Навстар”.

С выхода МШУ 8 сигналы двух систем обрабатываются в отдельных независимых каналах. Такая обработка обеспечивается с помощью выбора соответствующих номиналов частот, поступающих на смесители, а также параметров фильтров приемно-усилительных трактов обработки сигналов.

Сигнал, поступающий на первые входы полосовых фильтров 10 и 11, занимает полосу частот в диапазоне 1574,4-1617 МГц. Назначение полосового фильтра 10 – формирование спектра рабочих частот канала приема и обработки сигналов системы GPS “Навстар” с шириной полосы 1574,4-1576,4 МГц.

Для этой цели полосовой фильтр 10, реализованный на объемных диэлектрических резонаторах, обеспечивает следующие характеристики: центральная частота f₀=1575,1 МГц, f (по уровню минус 3 дБ)=1574,4-1576,4 МГц, гарантированное ослабление на частоте 1,525 ГГц равно 30 дБ, на частоте 1,595 ГГц – 28 дБ. С выхода полосового фильтра 10 сигнал поступает на первый вход смесителя 12. С первого выхода ФСОЧ1 22 на второй вход смесителя 12 поступает сигнал частотой 1400 МГц. Таким образом, на выходе смесителя 12 образуется сигнал разностной частоты f_пр1=f_с-f_г, занимающий спектр частот в диапазоне 174,4-176,4 МГц, который поступает на полосовой фильтр 13. С помощью полосового фильтра 13 заявляемое устройство производит дальнейшее формирование спектра рабочих частот НС системы “Навстар”, а также фильтрацию побочных продуктов преобразования смесителя 12. Для этой цели в качестве полосового фильтра 13 используется фильтр с аппроксимацией Кауэра 4 порядка.

В дальнейшем полезный сигнал усиливается с помощью УПЧ 14 и поступает на первый вход смесителя 15, на второй вход которого со второго выхода ФСОЧ1 22 поступает частота гетеродина, равная 140 МГц. На выходе смесителя 15 образуется спектр сигналов НС системы “Навстар” в диапазоне 34,4-36,4 МГц, который проходит через полосовой фильтр 16, где отфильтровываются побочные продукты преобразования смесителя 15 (полезный сигнал в диапазоне 34,4-36,4 МГц проходит через указанный фильтр практически без потерь). С выхода блока 16 полезный преобразованный сигнал поступает на первый вход смесителя 17, на второй вход которого приходит опорный сигнал с ФСОЧ1 22, равный f_г=31,1 МГц. На выходе смесителя 17 образуется полезный сигнал в диапазоне низких частот, равном 3,3-5,3 МГц, который поступает на фильтр нижних частот 18 с частотой среза f_c=5,3 МГц, с выхода которого отфильтрованный сигнал проходит на вход усилителя 19 промежуточной частоты, который служит для дальнейшего усиления сигналов НС системы “Навстар”. Для обеспечения постоянства коэффициента усиления сигнала в заданных пределах используется блок 21 автоматической регулировки усиления, который охватывает усилители промежуточной частоты 14 и 19.

С прямого и инверсного выходов усилителя 19 промежуточной частоты преобразованный и усиленный сигнал поступает на первый и второй информационные входы АЦП 20. После аналого-цифрового преобразования на выходах I1 и I2 АЦП 20, которые служат первыми информационными выходами заявляемого приемника, образуются цифровые выборки преобразованного входного сигнала НС системы GPS “Навстар”.

Во втором информационном канале обработка сигналов осуществляется следующим образом. С выхода МШУ 8 сигнал с шириной полосы 1574,1-1617 МГц поступает на вход полосового фильтра 11, назначение которого – формирование спектра рабочих частот канала приема и обработки сигналов системы “Глонасс”, работающих по ПТ коду с шириной полосы 1602-1617 МГц. Для решения этой задачи полосовой фильтр 11, реализованный на объемных диэлектрических резонаторах, обеспечивает следующие технические характеристики: центральная частота f₀=1608,5 МГц, f (по уровню 3 дБ)=1602-1617 МГц, гарантированное ослабление на частоте 1590 МГц равно 30 дБ, а на частоте 1625 МГц – 35 дБ.

С выхода полосового фильтра 11 сигнал поступает на первый вход смесителя 25. С первого выхода ФСОЧ2 24 на второй вход смесителя 25 поступает сигнал частотой 1640 МГц.

Таким образом, на выходе смесителя 25 образуется сигнал разностной частоты f_прl= f_c-f_г, занимающий спектр частот в диапазоне 23-38 МГц, который поступает на полосовой фильтр 26. С помощью полосового фильтра 26 заявляемое устройство производит дальнейшее формирование спектра рабочих частот НС системы “Глонасс”, а также фильтрацию побочных продуктов преобразования смесителя 25. Для этой цели полосовой фильтр 26 реализован на основе аппроксимации Кауэра 4 порядка. В дальнейшем полезный сигнал усиливается при помощи УПЧ 27 и поступает на первый вход смесителя 28, на второй вход которого со второго выхода ФСОЧ2 24 поступает частота гетеродина, равная 45,5 МГц. На выходе смесителя 28 образуется спектр сигналов НС системы “Глонасс” в диапазоне 7,5-22,5 МГц, который проходит через фильтр нижних частот 29 с частотой среза f_c=23 МГц, с выхода которого отфильтрованный сигнал проходит на вход усилителя 30 промежуточной частоты, который служит для дальнейшего усиления сигналов НС системы “Глонасс”. Для обеспечения постоянства коэффициента усиления сигнала в заданных пределах используется блок 32 автоматической регулировки усиления, который охватывает усилители промежуточной частоты 27 и 30 соответственно (глубина регулировки блоков АРУ 21 и 32 составляет 25 дБ). С прямого и инверсного выходов усилителя 30 промежуточной частоты преобразованный и усиленный сигнал поступает на первый и второй информационные входы АЦП 31. На управляющий вход АЦП 31 с третьего выхода ФСОЧ2 24 поступает сигнал частотой 51,25 МГц. После аналого-цифрового преобразования на выходах I1 и I2 АЦП 31, которые служат вторыми информационными выходами заявляемого устройства, образуются цифровые выборки преобразованного входного сигнала НС системы “Глонасс”.

Достоинством АЦП 20 и 31 является свойство адаптивности, т.е. пороговые уровни напряжения, с которыми сравниваются входные сигналы при оцифровке, не фиксированы, а формируются путем логического сложения по ИЛИ и интегрирования. Это свойство АЦП позволяет увеличить или уменьшить пороги сравнения в зависимости от спектральных свойств входного сигнала. Такая реализация существенно увеличивает помехозащищенность системы при воздействии гармонических (негауссовых) или сосредоточенных импульсных помех.

Для обеспечения реализации требований стандарта ARING-743A к навигационной аппаратуре потребителей, устанавливаемой на гражданских самолетах и вертолетах, в части обеспечения контроля целостности космического сегмента и работоспособности НАП в заявляемое устройство введен блок калибратора 9, который работает следующим образом. Кольцо фазовой автоподстройки частоты, реализованное на основе фазового детектора 35, фильтра нижних частот 36, ГУН 37 и делителя 38, обеспечивает постоянную выдачу на первом и втором выходах делителя 38 сигналов частотой 1610 МГц (соответствует частоте, входящей в рабочую полосу НС системы “Глонасс”) и 1575 МГц (входит в рабочий спектр сигналов навигационных спутников системы GPS “Навстар”). Заметим, что на первый вход фазового детектора 35 непрерывно подается входной сигнал частотой 10 МГц с выхода опорного термостатированного генератора 23. Сигнал частотой 1610 МГц поступает на первый вход фазового модулятора 33, а сигнал частотой 1575 МГц поступает на первый вход фазового модулятора 34. В i-ый момент времени, когда НАП, установленной на борту гражданского самолета или вертолета, необходимо провести контроль приемно-усилительного тракта либо осуществить проверку целостности работы НС систем GPS “Навстар” или “Глонасс”, центральный процессор навигационной аппаратуры потребителей дает указание сигнальному процессору на выдачу модулирующей псевдослучайной последовательности, которая с частотой 0,511 МГц (для канала “Глонасса”) или 1,023 МГц (для канала GPS “Навстар”) поступает на вход управления 2 или вход управления 3 приемника соответственно (фиг.1 и фиг.2).

Выбор канала приемника, который подлежит проверке, осуществляется программно-математическим обеспечением НАП. Таким образом, на выходе фазового модулятора 33 или 34 образуется фазомодулированная несущая частотой 1610 или 1575 МГц соответственно. В дальнейшем эти сигналы поступают на вход аттенюатора 39, на выходе которого обеспечивается фиксированный уровень мощности сигнала, гарантирующий приемно-усилительные тракты каналов НС систем “Глонасс” и GPS “Навстар” от самовозбуждения, а также позволяющий корректно выполнять процедуру их поиска в приемокорреляторе НАП (обычно его уровень мощности выбирается равным минус 125 дБВт). Выходной калиброванный сигнал канала НС системы “Глонасс” или GPS “Навстар” (в зависимости от того, какой канал приема подлежит проверке в i-ый момент времени) поступает на выход ферритового вентиля 40 или ферритового вентиля 41 соответственно. Ферритовые вентили 40 и 41 служат для согласования волнового сопротивления выходных цепей блока калибратора 9 с волновым сопротивлением второго и третьего входов МШУ 8, к которым подключены выходы ферритовых вентилей 40 и 41 соответственно.

По сравнению с устройством-прототипом [3] в заявляемом приемнике аппаратуры потребителей сигналов глобальных спутниковых радионавигационных систем достигнуты следующие преимущества:
1. Введение блока калибратора 9 позволяет осуществлять в любой момент времени контроль целостности и работоспособности приемно-усилительного тракта и информационных каналов НАП в целом, что соответствует требованиям стандарта АRING-743А и позволяет осуществлять установку и эксплуатацию заявляемого устройства в составе НАП, работающей на гражданских самолетах и вертолетах.

2. Введение блока калибратора 9 позволяет осуществлять строгую оценку и учет в программно-математическом обеспечении НАП значения неравномерности группового времени запаздывания , что особенно важно для НС системы “Глонасс”. Опыт работы с устройством-прототипом [3] показывает, что если неравномерность ГВЗ фильтров с линейными ФЧХ в тракте обработки сигналов НС системы “Глонасс” удается учесть расчетным путем, то при массовом производстве и старении НАП в процессе эксплуатации без блока 9 практически не удается строго учитывать суммарное время запаздывания распространения сигнала в приемнике, что существенно снижает точность определения вектора навигационных параметров в НАП (координат, скорости и времени).

3. Введение двух независимо работающих антенн, переключаемых с помощью центрального процессора НАП, позволяет добиться существенного повышения надежности работы НАП, устанавливаемой на гражданских и спортивных самолетах, а также вертолетах (в случае повреждения или полного выхода из строя одной всегда есть возможность перехода на запасную антенну), во-вторых, при маневрах, обледенении и т.д. НАП получает возможность выбора варианта работающей в i-ый момент времени антенны, а также (если потребуется) отбраковки заведомо несостоятельных вариантов измерений.

4. Отказ от наличия синфазной и квадратурной составляющих в каналах приема навигационных спутников системы “Глонасс” существенно повышает технологичность заявляемого устройства перед устройством-прототипом [3] при массовом производстве, снижает погрешность определения неравномерности ГВЗ (примерно на 20%), а также снижает примерно на треть аппаратурные затраты при технической реализации заявляемого устройства.

Таким образом, все задачи, поставленные перед изобретением, выполнены.

Источники информации
1. Raymond A. Eastwood “Anintegrated GPS/Glonass receiver”. – “Navigation” (USA), 1990, 2, – pp.141-151.

2. М.Н. Басюк, П.А. Осетров, В.Г. Сиренко, А.М. Смаглий. Приемник аппаратуры потребителей сигналов глобальных спутниковых радионавигационных систем. – Патент РФ 2067770.

3. М. Н. Басюк, Э.И. Отоладзе, В.Ю. Садырин, А.М. Смаглий. Приемник аппаратуры потребителей сигналов глобальных спутниковых радионавигационных систем. – Патент РФ 2100821.

Формула изобретения

Приемник аппаратуры потребителей сигналов глобальных спутниковых радионавигационных систем, содержащий две антенны, входы которых являются первым и вторым информационными входами приемника, два полосовых фильтра-преселектора, первый – третий малошумящие усилители, сверхвысокочастотный коммутатор, вход управления которого служит первым входом управления приемника, опорный термостатированный генератор, выход которого подключен одновременно к входам первого и второго формирователей сетки опорных частот, первый – пятый смесители, первый – пятый полосовые фильтры, первый – третий усилители промежуточной частоты, первый и второй блоки автоматической регулировки усиления, первый и второй фильтры нижних частот, первый и второй аналого-цифровые преобразователи, выходы которых являются соответственно первым и вторым информационными выходами приемника, отличающийся тем, что в него дополнительно введены блок калибратора и четвертый усилитель промежуточной частоты, причем первый и второй входы управления блока калибратора являются соответственно вторым и третьим входами управления приемника, причем тактовый вход блока калибратора подсоединен к выходу опорного термостатированного генератора, выход первой антенны соединен с входом первого фильтра-преселектора, выход которого соединен с входом первого малошумящего усилителя, выход которого соединен с первым информационным входом СВЧ-коммутатора, второй информационный вход которого подключен к выходу второго малошумящего усилителя, входом соединенного с выходом второго фильтра-преселектора, вход которого соединен с выходом второй антенны, выход СВЧ-коммутатора подключен к первому входу третьего малошумящего усилителя, причем второй и третий входы третьего малошумящего усилителя подсоединены соответственно к первому и второму информационным выходам блока калибратора, выход третьего малошумящего усилителя подключен одновременно к входам первого и второго полосовых фильтров, выход первого полосового фильтра подсоединен к первому входу первого смесителя, выход первого смесителя соединен с входом третьего полосового фильтра, соединенного выходом с входом первого усилителя промежуточной частоты, выход которого подключен к первому входу второго смесителя, выходом подключенного к входу четвертого полосового фильтра, выход которого подключен к первому входу третьего смесителя, выходом подключенного к входу первого фильтра нижних частот, выходом подключенного к первому входу второго усилителя промежуточной частоты, прямой и инверсный выходы которого соответственно подсоединены к первому и второму информационным входам первого аналого-цифрового преобразователя, причем прямой выход второго усилителя промежуточной частоты подключен также к входу первого блока автоматической регулировки усиления, выход которого подключен одновременно ко второму входу первого усилителя промежуточной частоты и второму входу второго усилителя промежуточной частоты, первый выход первого формирователя сетки опорных частот подключен ко второму входу первого смесителя, второй выход первого формирователя сетки опорных частот подсоединен ко второму входу второго смесителя, третий выход первого формирователя сетки опорных частот соединен со вторым входом третьего смесителя, четвертый выход первого формирователя сетки опорных частот подключен к управляющему входу первого аналого-цифрового преобразователя, причем выход второго полосового фильтра подсоединен к первому входу четвертого смесителя, подключенного выходом к входу пятого полосового фильтра, подключенного выходом к первому входу третьего усилителя промежуточной частоты, выход которого подсоединен к первому входу пятого смесителя, выходом подсоединенного к входу второго фильтра нижних частот, выход которого подсоединен к первому входу четвертого усилителя промежуточной частоты, прямой и инверсный выходы которого подключены соответственно к первому и второму информационным входам второго аналого-цифрового преобразователя, причем прямой выход четвертого усилителя промежуточной частоты подключен также к входу второго блока автоматической регулировки усиления, выходом соединенного со вторыми входами третьего и четвертого усилителей промежуточной частоты, причем первый выход второго формирователя сетки опорных частот подключен ко второму входу четвертого смесителя, второй выход второго формирователя сетки опорных частот соединен со вторым входом пятого смесителя, третий выход второго формирователя сетки опорных частот подсоединен к входу управления второго аналого-цифрового преобразователя приемника аппаратуры потребителей сигналов глобальных спутниковых радионавигационных систем.

РИСУНКИ

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 30.11.2004

Извещение опубликовано: 20.02.2006 БИ: 05/2006