устройство для приема сигналов спутниковых радионавигационных систем

Формула изобретения

Устройство для приема сигналов спутниковых радионавигационных систем, содержащее частотный разделитель, первый и второй каналы первого преобразования частоты сигналов, первый - четвертый каналы второго преобразования частоты сигналов, первый и второй блоки фильтрации, формирователь сигналов первой гетеродинной частоты и формирователь сигналов тактовой частоты, при этом каждый из каналов первого преобразования частоты сигналов содержит последовательно соединенные входной усилитель, вход которого соединен с соответствующим выходом частотного разделителя, смеситель, опорный вход которого соединен с выходом формирователя сигналов первой гетеродинной частоты, и усилитель промежуточной частоты, каждый из каналов второго преобразования частоты сигналов содержит последовательно соединенные смеситель, фильтр нижних частот и аналого-цифровой преобразователь, тактовый вход которого соединен с выходом формирователя сигналов тактовой частоты, сигнальные входы смесителей первого и второго каналов второго преобразования частоты сигналов через первый блок фильтрации подключены к выходу усилителя промежуточной частоты первого канала первого преобразования частоты сигналов, а сигнальные входы смесителей

третьего и четвертого каналов второго преобразования частоты сигналов через второй блок фильтрации подключены к выходу усилителя промежуточной частоты второго канала первого преобразования частоты сигналов, отличающееся тем. что в устройство дополнительно введены последовательно соединенные блок деления частоты на восемь и фазосдвигающий на /2 блок, при этом вход блока деления частоты на восемь подключен к выходу формирователя сигналов первой гетеродинной частоты, опорные входы смесителей первого и третьего каналов второго преобразования частоты сигналов подключены к выходу блока деления частоты на восемь, а опорные входы смесителей второго и четвертого каналов второго преобразования частоты сигналов подключены к выходу фазосдвигающего на /2 блока.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области радионавигации и может быть использовано в навигационной аппаратуре потребителей спутниковых радионавигационных систем (СРНС), а конкретно - в радиоприемных устройствах, осуществляющих одновременный прием сигналов двух СРНС "Глонасс" и "GPS" с преобразованием их к виду, позволяющему осуществлять последующие радионавигационные измерения.

Как известно, например из [1, с. 13-15], [2, с. 35], сигналы, излучаемые навигационными искусственными спутниками Земли (НИСЗ) СРНС "GPS", представляют собой радиосигналы, модулированные "C/A" и "P" кодами по фазе: (0,) и (+/2,-/2) соответственно. Эти сигналы передаются в двух частотных диапазонах - в диапазоне L₁ (несущая частота 1575,42 МГц) и в диапазоне L₂ (несущая частота 1227,6 МГц). Сигналы диапазона L₁ промодулированы "C/A" и "P" кодами, сигналы диапазона L₂ - "P" кодом. Первый из кодов ("C/A" код) сформирован по закону псевдослучайной последовательности (ПСП) с периодом 1 мс и тактовой частотой 1,023 МГц, второй код ("P" код) сформирован по закону ПСП с периодом около 7 суток и тактовой частотой 10,23 МГц. Частотная полоса сигналов СРНС "GPS" в диапазоне L₁ составляет 1565,19...1585,65 МГц, а частотная полоса сигналов в диапазоне L₂ - 1217,37...1237,83 МГц [1, с. 17], [2, с. 64, рис. 4.3]. Расположение частотных полос сигналов СРНС "GPS" диапазонов L₂ и L₁ показано на фиг. 1а, б, где ширина спектра сигналов определена по первым нулям спектра в условиях модуляции "P" кодом.

Для идентификации сигналов, излучаемых различными НИСЗ, в СРНС "GPS" используется кодовое разделение сигналов.

В отличие от СРНС "GPS" в СРНС "Глонасс", см. например [2, стр. 28-30], принято частотное разделение сигналов, излучаемых различными НИСЗ. Сигналы НИСЗ СРНС "Глонасс" идентифицируются по значению номинала их несущей ("литерной") частоты, лежащей в отведенном диапазоне частот. Для литерных частот предусмотрены два (j = 1, 2) частотных диапазонов L₁ и L₂. Номиналы литерных частот формируются по правилу:

f_j,i= f_j,0+if_j,

где

f_j,i - номиналы литерных частот;

f_j,0 - нулевая литерная частота;

i - номера литеров в каждом из диапазонов;

f_j- интервал между литерными частотами.

Для частот диапазона L₁ (вблизи 1600 МГц) - f_1,0 = 1602 МГц, f₁= 0,5625 МГц; для частот диапазона L₂ ( вблизи 1240 МГц) - f_2,0 = 1246 МГц, f₂=0,4375 МГц.

Для случая i = 1,2,...24 литерные частоты сигналов СРНС "Глонасс" диапазона L₁ занимают область частот 1602, 5625...1615, 5000 МГц, а литерные частоты сигналов диапазона L₂ - 1246, 4375...1256,5 МГц. Литер i = 0 потребителями не используется и предназначен для проверки резервных НИСЗ при восполнении орбитальной группировки. Распределение остальных литерных частот среди функционирующих НИСЗ задается альманахом, передаваемым в кадре служебной информации.

Аналогично СРНС "GPS" каждый НИСЗ СРНС "Глонасс" излучает радиосигналы в обоих диапазонах L₁ и L₂. Для когерентности излучения эти сигналы формируются от общего эталонного генератора при соблюдении отношения рабочих частот f_2,i/f_1,i = 7/9. Сигналы СРНС "Глонасс" в диапазоне L₁ промодулированы кодами ПСП двух типов: стандартной точности (с тактовой частотой 0,511 МГц) и повышенной точности (с тактовой частотой 5,11 МГц) - аналогично модуляции "C/A" и "P" кодами в СРНС "GPS". Сигналы СРНС "Глонасс" в диапазоне L₂, аналогично сигналам СРНС "GPS" в диапазоне L₂, промодулированы только кодами ПСП повышенной точности

Частотная полоса сигналов СРНС "Глонасс", например, для номеров литер i = 1,...24 в диапазоне L₁ составляет 1597, 4525...1620, 61 МГц, а в диапазоне L₂ - 1241, 3275...1261, 61 МГц. Ширина спектра сигнала на каждой литерной частоте определена по первым нулям спектра при модуляции кодом повышенной точности, т.е. границы частотного диапазона L₁ (нижняя f_HL1 и верхняя f_BL1) определены исходя из соотношений

f_HL1 = f_1,1 - 5,11 МГц = (1602, 5625 - 5,11) МГц = 1597, 4525 МГц;

f_BL1 = F_1,24 + 5,11 МГц = (1615, 5000 + 5,11) МГц = 1620,61 МГц,

а границы частотного диапазона L₂ (нижняя f_HL2 и верхняя f_BL2) определены исходя из соотношений:

f_HL2 = f_2,1 - 5,11 МГц = (1246, 4375 - 5,11) МГц = 1241, 3275 МГц;

f_BL2 = F_2,24 + 5,11 МГц = (1256, 5 + 5,11) МГц = 1261,61 МГц.

Расположение частотных полос сигналов СРНС "Глонасс" диапазонов L₂ и L₁ показано на фиг. 1в, г.

Различия, существующие между сигналами СРНС "GPS" и "Глонасс", обусловленные кодовым разделением при одной несущей в системе "GPS" и частотным разделением при нескольких несущих, определяемых литерными частотами, в системе "Глонасс", обуславливают различия в технических средствах, с помощью которых осуществляется прием этих сигналов и преобразование их к виду, позволяющему осуществлять последующие радионавигационные измерения.

Известно, например из [3, фиг. 1], устройство для приема сигналов СРНС "GPS", содержащее малошумящий усилитель, фильтр, первый смеситель, усилитель и первой промежуточной частоты, квадратурный смеситель, два квантователя для синфазного и квадратурного каналов, формирователь сигнала первого гетеродина (1401,51 МГц), а также блок деления, формирующий из сигнала первого гетеродина сигнал второго гетеродина.

Устройство решает техническую задачу приема и преобразования сигналов СРНС "GPS" к виду, позволяющему потребителю осуществлять в дальнейшем соответствующие радионавигационные измерения. Устройство не позволяет решить задачу приема сигналов СРНС "Глонасс".

Известно, например из [2, с. 147-148, рис. 9.2], устройство для приема сигналов СРНС "Глонасс" ("одноканальная аппаратура потребителей "АСН-37"). Устройство содержит входной фильтр, малошумящий усилитель, первый смеситель, усилитель промежуточной частоты, фазовый демодулятор, второй смеситель с фазовым подавлением зеркального канала, ограничитель, синтезатор литерных частот, формирователи гетеродинных частот. Синтезатор литерных частот формирует свои выходные сигналы в соответствии с литерными частотам принимаемых сигналов СРНС "Глобнасс". Шаг литерных частот, формируемых синтезатором, составляет 0,125 МГц. Сигнал первого гетеродина формируется в результате умножения частоты выходного сигнала синтезатора на четыре, а сигнал второго гетеродина - в результате деления частоты выходного сигнала синтезатора на два.

Устройство решает техническую задачу приема и преобразования сигналов СРНС "Глонасс" к виду, позволяющему потребителю осуществлять в дальнейшем соответствующие радионавигационные измерения. Устройство не позволяет решить задачу приема сигналов СРНС "GPS".

Несмотря на различия, существующие между СРНС "GPS" и "Глонасс", их близость по баллистическому построению орбитальной группировки НИСЗ и используемому частотному диапазону, позволяет ставить и решать задачи, связанные с созданием интегрированной навигационной аппаратуры потребителей, работающей по сигналам этих двух СРНС. Достигаемый при этом результат состоит в повышении надежности, достоверности и точности определения местоположения объекта, в частности, за счет возможности выбора рабочих созвездий НИСЗ с лучшими значениями геометрических факторов [2, с. 160].

При создании навигационной аппаратуры потребителей, работающих по сигналам СРНС "GPS" и "Глонасс", в числе других задач ставится задача одновременного приема этих сигналов и преобразования их к виду, удобному для последующей обработки в цифровом процессоре.

Известно, например из [2, с. 158-161, рис. 9.8], устройство, решающее задачу приема сигналов СРНС "GPS" и "Глонасс" и преобразование их к виду, позволяющему с помощью цифрового процессора (процессора первичной обработки и навигационного процессора) осуществить последующие радионавигационные измерения и определение местоположения объекта. Устройство содержит частотный разделитель ("диплексер"), осуществляющий частотное разделение сигналов диапазона L₁ СРНС "GPS" и "Глонасс", полосовые фильтры и малошумящие усилители каналов "GPS" и "Глонасс", смеситель, СВЧ коммутатор, подключающий на сигнальный вход смесителя сигналы СРНС "GPS" или "Глонасс", СВЧ коммутатор, подключающий на опорный вход смесителя сигнал первого гетеродина для канала "GPS" или канала "Глонасс". За счет соответствующего формирования частоты гетеродинного сигнала первая промежуточная частота является постоянной для сигналов СРНС "GPS" и "Глонасс" и весь дальнейший тракт устройства реализован как общий для этих сигналов.

Особенностью устройства является то, что прием и преобразование сигналов каждой из СРНС осуществляется последовательно во времени с использованием одного и того же радиоканала.

Таким образом в устройстве не может быть решена задача одновременного приема сигналов СРНС "GPS" и "Глонасс". Кроме этого реализация устройства требует сложного по своему выполнению высокочастотного переключаемого синтезатора частот, обеспечивающего формирование двух разных гетеродинных сигналов для преобразования сигналов СРНС "GPS" и "Глонасс" соответственно.

Известно устройство для приема сигналов СРНС "GPS" и "Глонасс", описанное в [4, с. 835-844, фиг. 2], в котором осуществляется одновременный прием сигналов СРНС "GPS" и "Глонасс" с преобразованием их к виду, позволяющему осуществлять в дальнейшем радионавигационные измерения с помощью цифрового процессора. Это устройство принято в качестве прототипа.

Структурная схема устройства-прототипа представлена на фиг. 2.

Устройство, принятое в качестве прототипа, содержит (фиг. 2) частотный разделитель 1, первый и второй каналы 2 и 3 первого преобразования частоты сигналов, первый, второй, третий и четвертый каналы 4, 5, 6 и 7 второго преобразования частоты сигналов, первый и второй блоки 8 и 9 фильтрации, формирователь 10 сигналов первой гетеродинной частоты и формирователь 11 сигналов тактовой частоты.

Первый канал 2 первого преобразования частоты сигналов содержит входной усилитель 12, смеситель 13 и усилитель 14 промежуточной частоты. Второй канал 3 первого преобразования частоты сигналов содержит входной усилитель 15, смеситель 16 и усилитель 17 промежуточной частоты. В каждом из каналов 2, 3 входной усилитель (12, 15), смеситель (13, 16) и усилитель промежуточной частоты (14, 17) соединены последовательно, при этом опорные входы смесителей 13 и 16 первого и второго каналов 2 и 3 соединены с выходом формирователя 10 сигналов первой гетеродинной частоты, а входы усилителей 12 и 15 каналов 2 и 3 подключены соответственно к первому и второму выходам частного разделителя 1.

Первый канал 4 второго преобразования частоты сигналов содержит смеситель 18, фильтр нижних частот (ФНЧ) 19 и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 20. Второй канал 5 второго преобразования частоты сигналов содержит смеситель 21, ФНЧ 2 и АЦП 23. Третий канал 6 второго преобразования частоты сигналов содержит смеситель 24, ФНЧ 25 и АЦП 26. Четвертый канал 7 второго преобразования частоты сигналов содержит смеситель 27, ФНЧ 28 и АЦП 29. В каждом из каналов 4, 5, 6, 7 смеситель (18, 21, 24, 27), ФНЧ (19, 22, 25, 28) и АЦП (20, 23, 26, 29) соединены последовательно. Тактовые входы АЦП 20, 23, 26, 29 всех четырех каналов 4, 5, 6, 7 подключены к выходу формирователя 11 сигналов тактовой частоты. Сигнальные входы смесителей 18 и 21 первого 4 и второго 5 каналов второго преобразования частоты сигналов через первый блок 8 фильтрации подключены к выходу усилителя 14 промежуточной частоты первого канала 2 первого преобразования частоты сигналов. Сигнальные выходы смесителей 24 и 27 третьего 6 и четвертого 7 каналов второго преобразования частоты сигналов через второй блок 9 фильтрации подключены к выходу усилителя 17 промежуточной частоты второго канала 3 первого преобразования частоты сигналов. Опорные входы смесителей 18 и 24 соответственно первого 4 и второго 6 каналов второго преобразования частоты сигналов подключены к выходу формирователя сигнала второй гетеродиной частоты (на фиг. 2 не показан), а опорные входы смесителей 21 и 27 соответственно второго 5 и четвертого 7 каналов второго преобразования частоты сигналов подключены к выходу формирователя сигнала третьей гетеродинной частоты (на фиг. 2 не показан).

Выходы АЦП 20, 23 первого и второго каналов 4 и 5 второго преобразования частоты сигналов образуют первый выход устройства, выходы АЦП 26, 29 третьего и четвертого каналов 6 и 7 второго преобразования частоты сигналов образуют второй выход устройства.

Устройство, принятое в качестве прототипа, работает следующим образом.

Сигналы СРНС "GPS" и "Глонасс" с входной антенны (на фиг. 2 не показана) поступают на вход частотного разделителя 1.

Сигналы СРНС "GPS" каждого из диапазонов L₁ и L₂ занимают частотные полюсы шириной F = 20,46 МГц (фиг. 1а, б), а сигналы СРНС "Глонасс" - частотные полосы шириной F₁ = 23,1575 МГц (диапазон L₁) (фиг. 1г) и F₂ = 20,2825 МГц (диапазон L₂) (фиг 1в). Частотные полосы не пересекаются.

Частотный разделитель 1 ("диплексер") пропускает на свой первый выход сигналы СРНС "GPS" и "Глонасс" диапазонов L₁, а на второй выход - сигналы СРНС "GPS" и "Глонасс" диапазонов L₂.

Сигналы, поступающие с первого и второго выходов частотного разделителя 1, усиливаются в малошумящих входных усилителях 12 и 15 соответственно первого 2 и второго 3 каналов первого преобразования частоты сигналов, преобразуются в соответствующих смесителях 13 и 16 и усиливаются в усилителях промежуточной частоты 14 и 17.

Для первого преобразования частоты, осуществляемого в каналах 2 и 3, используется сигнал первой гетеродинной частоты f_г1 = 1416 МГц, синтезируемый формирователем 10.

В результате первого преобразования частоты положение частотных полос, занимаемых сигналами СРНС "GPS" и "Глонасс", на оси частот изменяется как показано на фиг. 3, где фиг. 3а - полоса частот сигналов СРНС "GPS" диапазона L1 (149,19. . .169,65 МГц), фиг. 3б - полоса частот сигналов СРНС "GPS" диапазона L₂ (178,17. ..198,63 МГц), фиг. 3в - полоса частот сигналов СРНС "Глонасс" диапазона L₁ (181,4525...204,61 МГц), фиг. 3г - полоса частот сигналов СРНС "Глонасс" диапазона L₂ (154,39...174,6725 МГц).

Преобразованные в канале 2 сигналы СРНС "GPS" и "Глонасс" диапазона L₁ поступают на вход блока 8 фильтрации. Преобразованные в канале 3 сигналы СРНС "GPS" и "Глонасс" диапазона L₂ поступают на вход блока 9 фильтрации. В блоках 8 и 9 сигналы подвергаются раздельной (по системам) фильтрации, например, с помощью индивидуальных полосовых фильтров (на фиг. 2 не показаны), входящих в состав каждого из блоков 8 и 9, то есть двух фильтров в блоке 8 и двух фильтров в блоке 9. В каждом из блоков 8 и 9 входы фильтров, входящих в состав блока, соединены между собой и образуют вход соответствующего блока, а их выходы - выходы блока.

Отфильтрованные от внеполосных помех и разделенные по системам ("GPS" или "Глонасс") и диапазонам (L₁ или L₂) преобразованные по частоте сигналы с соответствующих выходов блоков 8 и 0 фильтрации поступают на выходы смесителей 18, 21, 24, и 27 каналов 4, 5, 6 и 7 второго преобразования частоты сигналов. При этом преобразованные сигналы СРНС "GPS" диапазона L₁ поступают на сигнальный вход смесителя 18, преобразованные сигналы СРНС "Глонасс" диапазона L₁ - на сигнальный вход смесителя 21, преобразованные сигналы СРНС "GPS" диапазона L₂ - на сигнальный вход смесителя 24, а преобразованные сигналы СРНС "Глонасс" диапазона L₂ - на сигнальный вход смесителя 27.

Для второго преобразования частоты, осуществляемого в каналах 4, 5, 6 и 7, используются сигналы второй и третьей гетеродинных частот f_г2 = 173,9 МГц и f_г3 = 178,8 МГц, синтезируемые соответствующими формирователями гетеродинных частот (на фиг. 2 не показаны). При этом вторая гетеродинная частота f_г2 = 173,9 МГц используется для преобразования сигналов СРНС "GPS" в смесителях 18 и 24 соответственно первого и третьего каналов 4 и 6, а третья гетеродинная частота f_г3 = 178,8 МГц - для преобразования сигналов СРНС "Глонасс" в смесителях 21 и 27 соответственно второго и четвертого каналов 5 и 7.

Значение второй гетеродинной частоты f_г2 = 173,9 МГц выбрано внутри частотного интервала, ограниченного верхней частотой диапазона L₁ (169,65 МГц) и нижней частотой диапазона L₂ (178,17 МГц) сигналов СРНС "GPS" после первого преобразования частоты (см. фиг. 3а, б).

Значение третьей гетеродинной частоты f_г3 = 178,8 МГц выбрано внутри частотного интервала, ограниченного верхней частотой диапазона L₂ (174,6725 МГц) и нижней частотой диапазона L₁ (181,4525 МГц) сигналов СРНС "Глонасс" после первого преобразования частоты (см. фиг. 3в, г).

В результате второго преобразования частоты положение частотных полос, занимаемых сигналами СРНС "GPS" и "Глонасс", на оси частот изменяется как показано на фиг. 4, где фиг. 4а - полоса частот сигналов СРНС "GPS" диапазона L₁ (4,25...24,71 МГц), фиг. 4б - полоса частот сигналов СРНС "GPS" диапазона L₂ (4,27...24,73 МГц), фиг. 4в - полоса частот сигналов СРНС "Глонасс" диапазона L₁ (2,6525. ..25,81 МГц), фиг. 4г - полоса частот СРНС "Глонасс" диапазона L₂ (4,1275...24,41 МГц).

Преобразованные с помощью смесителей 18, 21, 24 и 27 сигналы СРНС "GPS" и "Глонасс" диапазонов L₁ и L₂ в каждом из каналов 4, 5, 6 и 7 второго преобразования частоты сигнала фильтруют ФНЧ 19, 22, 25 и 28 и преобразуются в цифровую форму с помощью АЦП 20, 23, 26 и 29.

Тактовая частота, определяющая частоту аналого-цифрового преобразования (т. е. частоту дискретизации по времени), выбрана 57,0 МГц из условия исключения потерь навигационной информации, содержащейся в принимаемых сигналах, при их преобразовании из аналоговой формы в цифровую.

Значения гетеродинных частот f_г2 = 173,9 МГц и f_г3 = 178,8 МГц для второго преобразования частоты сигналов выбраны таким образом, чтобы средняя частота сигналов СРНС "GPS" и "Глонасс" частотных диапазонов L₁ и L₂ на второй промежуточной частоте была бы близка к 14,25 МГц. Это обстоятельство обусловлено особенностями цифровой обработки сигналов, примененной в прототипе, где тактовая частота 4-х битового АЦП выбрана равной 57 МГц (414,25 МГц) и использованы специализированные цифровые фильтры, выделяющие двухбитовые синфазную (I) и квадратурную (Q ) выборку с частотой 28,5 МГц (214,25 МГц) [4, с. 837].

С выходов АЦП 20 и 23 преобразованные по частоте и представленные в цифровом коде сигналы СРНС "GPS" и "Глонасс" диапазона L₁ поступают на первый выход устройства. С выходов АЦП 26 и 29 преобразованные по частоте и представленные в цифровом коде сигналы СРНС "GPS" и "Глонасс" диапазона L₂ поступают на второй выход устройства. Выходные сигналы устройства далее обрабатываются в цифровом навигационном процессоре (на фиг. 2 не показан) для получения навигационной информации.

Для устройства-прототипа характерно использование сложного гетеродинного оборудования. Действительно, в устройстве-прототипе используются три гетеродинных сигнала: первый - с частотой 1416 МГц, второй - с частотой 173,9 МГц и третий - с частотой 178,8 МГц. Ни одна из этих гетеродинных частот не может быть получения путем простого умножения или деления из другой гетеродинной частоты, используемой в устройстве. Поэтому гетеродинные частоты синтезируются с помощью трех отдельных, независимых формирователей (синтезаторов) гетеродинных частот, каждый из которых представляет собой сложное по реализации радиотехническое устройство. Сложность синтезаторов гетеродинных частот обусловлена высокими требованиями, предъявляемыми к стабильности синтезируемых частот (относительная нестабильность частоты 10^-11 - 10^-12 за 1 с [5]), поскольку от этого в значительной степени зависят выходные характеристики приемного устройства в целом.

В этой связи очевидна актуальность задачи упрощения гетеродинного оборудования, например, уменьшение числа используемых синтезаторов частоты. От решения этой задачи зависит возможность упрощения приемного устройства в целом, что особенно важно, например, для приемного устройства, осуществляющего прием и преобразование сигналов СРНС "GPS" и "Глонасс" в составе бортовой радионавигационной аппаратуры.

Другой задачей, которая не решается в рамках устройства-прототипа, является задача приема сигналов СРНС "Глонасс" с дополнительными (от "-7" до "0") литерными частотами, вводимыми в соответствии с "Интерфейсным контрольным документом" [6] . Действительно, в случае использования дополнительных литерных частот спектр входного сигнала СРНС "Глонасс" расширяется на 4,5 МГц в диапазоне L₁ и на 3,5 МГц в диапазоне L₂. В результате первого преобразования частоты верхняя граница спектра преобразованного сигнала СРНС "Глонасс" диапазона L₂ становится равной 178,1725 МГц, а нижняя граница спектра преобразованного сигнала диапазона L₁ - 176,9525 МГц. В этом случае гетеродинная частота f_г3 = 178,8 МГц, используемая в устройстве-прототипе для второго преобразования частоты сигналов СРНС "Глонасс", оказывается внутри частотного диапазона L₁, а также примыкает к частотному диапазону L₂. Это приводит к дополнительным потерям при приеме и обработке сигналов СРНС "Глонасс", поскольку из-за преобразования шумов зеркального канала уменьшается соотношение "сигнал/шум" устройства [7, с. 47].

Задачей заявляемого изобретения является создание устройства, осуществляющего одновременный прием и преобразование сигналов СРНС "GPS" и "Глонасс" с использованием одного синтезатора для формирования гетеродинных частот с обеспечением возможности приема и обработки сигналов СРНС "Глонасс" литерных частот от i = -7 до i = 24.

Сущность изобретения заключается в том, что в устройство для приема сигналов спутниковых радионавигационных систем, содержащее частотный разделитель, первый и второй каналы первого преобразования частоты сигналов, первый, второй, третий и четвертый каналы второго преобразования частоты сигналов, первый и второй блоки фильтрации, формирователь сигналов первой гетеродинной частоты и формирователь сигналов тактовой частоты, при этом каждый из каналов первого преобразования частоты сигналов содержит последовательно соединенные входной усилитель, вход которого соединен с соответствующим выходом частотного разделителя, смеситель, опорный вход которого соединен с выходом формирователя сигналов первой гетеродинной частоты, и усилитель промежуточной частоты, каждый из каналов второго преобразования частоты сигналов содержит последовательно соединенные смеситель, фильтр нижних частот и аналого-цифровой преобразователь, тактовый вход которого соединен с выходом формирователя сигналов тактовой частоты, сигнальные входы смесителей первого и второго каналов второго преобразования частоты сигналов через первый блок фильтрации подключены к выходу усилителя промежуточной частоты первого канала первого преобразования частоты сигналов, а сигнальные входы смесителей третьего и четвертого каналов второго преобразования частоты сигналов через второй блок фильтрации подключены к выходу усилителя промежуточной частоты второго канала первого преобразования частоты сигналов, дополнительно введены последовательно соединенные блок деления частоты на восемь и фазосдвигающий блок, при этом вход блока деления частоты на восемь подключен к выходу формирователя сигналов первой гетеродинной частоты, опорные выходы смесителей первого и третьего каналов второго преобразования частоты сигналов подключены к выходу блока деления частоты на восемь, а опорные входы смесителей второго и четвертого каналов второго преобразования частоты сигналов подключены к выходу фазосдвигающего блока.

Сущность заявляемого устройства, возможность его осуществления и промышленного использования поясняются чертежами и диаграммами, представленными на фиг. 1 - 8, где:

на фиг. 1 представлены частотные диаграммы, поясняющие распределение частотных полос сигналов СРНС "GPS" и "Глонасс" (с литерными частотами от "1" до "24");

на фиг. 2 изображена структурная схема устройства, принятого в качестве прототипа;

на фиг. 3 представлены частотные диаграммы, поясняющие распределение частотных полос сигналов СРНС "GPS" и "Глонасс" после первого преобразования частоты в устройстве-прототипе;

на фиг. 4 представлены частотные диаграммы, поясняющие распределение частотных полос сигналов СРНС "GPS" и "Глонасс" после второго преобразования частоты в устройстве-прототипе;

на фиг. 5 изображена структурная схема заявляемого устройства;

на фиг. 6 представлены частотные диаграммы, поясняющие распределение частотных полос сигналов СРНС "GPS" и "Глонасс" (с литерными частотами от "-7" до "24";

на фиг. 7 представлены частотные диаграммы, поясняющие распределение частотных полос сигналов СРНС "GPS" и "Глонасс" после первого преобразования частоты в заявляемом устройстве;

на фиг. 8 представлены частотные диаграммы, поясняющие распределение частотных полос сигналов СРНС "GPS" и "Глонасс" после второго преобразования частоты в заявляемом устройстве.

Заявляемое устройство содержит, см. фиг. 5, частотный разделитель 1, первый и второй каналы 2 и 3 первого преобразования частоты сигналов, первый, второй, третий и четвертый каналы 4, 5, 6 и 7 второго преобразования частоты сигналов, первый и второй блоки 8 и 9 фильтрации, формирователь 10 сигналов первой гетеродинной частоты, формирователь 11 сигналов тактовой частоты.

Первый канал 2 первого преобразования частоты сигналов содержит входной усилитель 12, смеситель 13 и усилитель 14 промежуточной частоты. Второй канал 3 первого преобразования частоты сигналов содержит входной усилитель 15, смеситель 16 и усилитель 17 промежуточной частоты. В каждом из каналов 2, 3 входной усилитель (12, 15), смеситель (13, 16) и усилитель промежуточной частоты (14, 17) соединены последовательно, при этом опорным входы смесителей 13 и 16 первого и второго каналов 2 и 3 соединены с выходом формирователя 10 сигналов первой гетеродинной частоты, а входы усилителей 12 и 15 первого и второго каналов 2 и 3 подключены соответственно к первому и второму выходам частотного разделителя 1.

Первый канал 4 второго преобразования частоты сигналов содержит смеситель 18, фильтр нижних частот (ФНЧ) 19 и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 20. Второй канал 5 второго преобразования частоты сигналов содержит смеситель 21, ФНЧ 22 и АЦП 23. Третий канал 6 второго преобразования частоты сигналов содержит смеситель 24, ФНЧ 4 и АЦП 26. Четвертый канал 7 второго преобразования частоты сигналов содержит смеситель 27, ФНЧ 28 и АЦП 29.

В каждом из каналов 4, 5, 6, 7 смеситель (15, 21, 24, 27), ФНЧ (19, 22, 25, 28) и АЦП (20, 23, 26, 29) соединены последовательно, при этом тактовые входы АЦП 20, 23, 26, 29 всех четырех каналов подключены к выходу формирователя 11 сигналов тактовой частоты, сигнальные входы смесителей 18 и 21 первого 4 и второго 5 каналов второго преобразования частоты сигналов через первый блок 8 фильтрации подключены к выходу усилителя 14 промежуточной частоты первого канала 2 первого преобразования частоты сигналов, а сигнальные входы смесителей 24 и 27 третьего 6 и четвертого 7 каналов второго преобразования частоты сигналов через второй блок 9 фильтрации подключены к выходу усилителя 17 промежуточной частоты второго канала 3 первого преобразования частоты сигналов.

В заявляемом устройстве каждый из блоков 8 и 9 фильтрации представляет собой один полосовой фильтр, общий для сигналов СРНС "GPS" и "Глонасс" одного частотного диапазона (L₁ или L₂), прошедших первое преобразование частоты.

Заявляемое устройство содержит также последовательно соединенные блок 30 деления частоты на восемь и фазосдвигающий блок 31. При этом вход блока 30 деления частоты на восемь подключен к выходу формирователя 10 сигналов первой гетеродинной частоты, опорные входы смесителей 18 и 24 первого 4 и третьего 6 каналов второго преобразования частоты сигналов подключены к выходу блока 30 деления частоты на восемь, а опорные входы смесителей 21 и 27 второго 5 и четвертого 7 каналов второго преобразования частоты сигналов подключен к выходу фазосдвигающего блока 31.

Частотный разделитель 1 заявляемого устройства представляет собой известное, широко применяемое в технике приема сигналов СРНС устройство, реализованное, например, в виде двухканального частотного разделителя на дисковых диэлектрических резонаторах [8, с. 58, рис.2.20].

Блоки 8 и 9 фильтрации, представляющие собой одиночные полосовые фильтры, могут быть реализованы, например, по известной схеме, описанной в [9, с. 217-220], в виде фильтров на поверхностных акустических волнах.

Формирователь 10 сигналов первой гетеродинной частоты может быть реализован, например, по известной схеме синтезатора частот "1,3/1,5 GHz low power single-chip frequency synthesiser SP8853", описанной в [10. с. 2-3 - 2-14, фиг. 6].

Формирователь 11 сигналов тактовой частоты может быть реализован, например, по известной схеме "A Serial Programmable VHF Frequency Synrthesiser", описанной в [10, с. 4-46, фиг. 1].

Входные усилители 12 и 15 первого и второго каналов первого преобразования частоты сигналов могут быть реализованы по известной схеме малошумящего усилителя на транзисторе с общим эмиттером, описанной, например, в [9, с. 241, рис. 8.12].

Смесители 13 и 16 первого и второго каналов первого преобразования частоты сигналов представляют собой известные в технике приема и обработки сигналов СРНС устройства по схеме балансного диодного смесителя, описанные, в частности, в [9, с. 258-260, рис. 8.25].

Усилители 14 и 17 промежуточной частоты первого и второго каналов первого преобразования частоты сигналов могут быть реализованы, например, по известной схеме усилителя на дифференциальном каскаде с "общим эмиттером - общей базой", описанной в [9, с. 137 - 141, рис. 5.5].

Смесители 18, 21, 24 и 27 первого, второго, третьего и четвертого каналов второго преобразования частоты сигналов могут быть выполнены, например, по схеме аналогового перемножителя, описанной в [89, с. 156 - 158, рис. 5.13].

Фильтры нижних частот (ФНЧ) 19, 22, 25 и 28 первого, второго, третьего и четвертого каналов второго преобразования частоты сигналов могут быть выполнены на LC-элементах по схеме, описанной, например, в [11, с. 85, рис. 4.04.1] , и иметь конструкцию, совместимую с микроэлектронными компонентами [9, с. 183 - 188].

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) 20, 23, 26 и 29 первого, второго, третьего и четвертого каналов второго преобразователя частоты сигналов могут быть реализованы по известной схеме параллельного АЦП, описанной, в частности, в [12, с. 41 - 45, рис. 2.5].

Блок 30 деления частоты на восемь может быть выполнен, например, по известной схеме высокочастотного делителя, описанной в [10, с. 3-158, фиг. 2], и реализован на стандартной микросхеме типа "SP8808" ("3.3 GHz - 8 Fixed Modulus Divider").

Фазосдвигающий блок 31 может быть выполнен по известной схеме узкополосного фазовращателя на /2, описанной, в частности, в [9, с. 159] и реализован, например, на стандартной микросхеме "Quadrature Hybried 100-200 MHZ" [13, с. 2-261].

Работу заявляемого устройства рассмотрим на примере приема и преобразования сигналов СРНС "GPS" и "Глонасс" для случая, когда в сигналах СРНС "Глонасс" используются литерные частоты от i = -7 до i = 24.

Заявляемое устройство работает следующим образом.

Принятые входной антенной (на фиг. 5 не показана) сигналы СРНС "GPS" и "Глонасс" частотных диапазонов L₁ и L₂ поступают на вход частотного разделителя 1.

Сигналы СРНС "GPS" каждого из диапазонов L₁ и L₂ занимают частотные полосы шириной F = 20,46 МГц, а сигналы СРНС "Глонасс" занимают частотные полосы шириной F₁ = 27,6575 МГц в диапазоне L₁ и F₂ = 23,7825 МГц в диапазоне L₂ (при i = -7,...,24). Частотные полосы сигналов не пересекаются. Положение частотных полос, занимаемых на оси частот сигналами СРНС "GPS" и "Глонасс", в рассматриваемом случае показано на фиг. 6, где фиг. 6а - полоса частот сигналов СРНС "GPS" диапазона L₂ (1217,37...1237,83 МГц), фиг. 6б - полоса частот сигналов СРНС "GPS" диапазона L₁ (1565,19...1585,65 МГц), фиг. 6в - полоса частота сигналов СРНС "Глонасс" диапазона L₂ (1237,8275...1261,61 МГц), фиг. 6г - полоса частот сигналов СРНС "Глонасс" диапазона L₁ (1592,9525...1620,61 МГц).

Частотный разделитель 1 пропускает на свой первый выход сигналы СРНС "GPS" и "Глонасс" диапазона L₁, а на второй выход - сигналы СРНС "GPS" и "Глонасс" диапазона L₂.

Сигналы, поступающие с первого и второго выходов частотного разделителя 1, усиливаются в малошумящих входных усилителях 12 и 15 соответственно первого 2 и второго 3 каналов первого преобразования частоты сигналов, преобразуются в соответствующих смесителях 13 и 16 и усиливаются в усилителях промежуточной частоты 14 и 17.

Для первого преобразования частоты, осуществляемого в каналах 2 и 3 заявляемого устройства, используется сигнал первой гетеродинной частоты f_г1 = 1415 МГц, синтезируемой формирователем 10.

В результате первого преобразования частоты положение частотных полос, занимаемых сигналами СРНС "GPS" и "Глонасс", на оси частот изменяется как показано на фиг. 7, где фиг. 7а - расположение частотных полос сигналов СРНС "GPS" и "Глонасс" диапазона L₁ ("GPS" - 150,19...170,65 МГц; "Глонасс" - 177,9525...205,61 МГц), фиг. 7б - расположение частотных полос сигналов СРНС "Глонасс" и "GPS" диапазона ₂ (Глонасс - 153,39 ... 177,1725 МГц; GPS" - 177,17...197,63 МГц).

Выбор первой гетеродинной частоты (f_г1 = 1415 МГц) осуществлен таким образом, что связанная с ней вторая гетеродинная частота (f_г2 = 1/8 f_г1 = 176,875 МГц) располагается вблизи частотной области, где смыкаются частотные полосы, занимаемые преобразованными сигналами СРНС "GPS" и "Глонасс" диапазона L₂ (см. фиг. 7б), при этом соблюдается условие минимизации спектральных полос преобразуемых сигналов.

С выхода усилителя 14 промежуточной частоты преобразованные сигналы СРНС "GPS" и "Глонасс" диапазона L₁ поступают на вход блока 8 фильтрации, реализующего характеристику полосового фильтра с полосой 56 МГц и центральной частотой 178 МГц.

С выхода усилителя 17 промежуточной частоты преобразованные сигналы СРНС "GPS" и "Глонасс" диапазона L₂ поступают на вход блока 9 фильтрации, реализующего характеристику полосового фильтра с полосой 45 МГц и центральной частотой 175,5 МГц.

Блоки 8 и 9 осуществляют полосовую фильтрацию сигналов от внеполосных помех.

Отфильтрованные от внеполосных помех преобразованные по частоте сигналы СРНС "GPS" и "Глонасс" диапазона L₁ (фиг. 7а) с выхода блока 8 фильтрации поступают на входы смесителей 18 и 21 каналов 4 и 5 второго преобразования частоты сигналов. Отфильтрованные от внеполосных помех преобразованные по частоте сигналы СРНС "GPS" и "Глонасс" диапазона L₂ (фиг. 7б) с выхода блока 9 фильтрации поступают на входы смесителей 24 и 27 каналов 6 и 7 второго преобразования частоты сигналов.

Для второго преобразования частоты сигналов, осуществляемого в каналах 4, 5, 6 и 7, в заявляемом устройстве используются сигналы второй гетеродинной частоты f_г2 = 176,875 МГц, формируемые из сигналов первой гетеродинной частоты f_г1 = 1415 МГц вначале путем деления частоты f_г1 на восемь в блоке 30, а затем - сдвига сформированного сигнала по фазе на /2 в фазосдвигающем блоке 31. При этом в каналах 4 и 5 на опорные входы смесителей 18 и 21 поступают сигналы второй гетеродинной частоты соответственно с выхода блока 30 деления частоты на восемь и фазосдвигающего блока 31, а в каналах 6 и 7 на опорные входы смесителей 24 и 27 поступают сигналы второй гетеродинной частоты соответственно с выхода блока 30 деления частоты на восемь и фазосдвигающего блока 31.

Поскольку сигналы, поступающие на опорные входы смесителей 18 (24) и 21 (27) с выходов блоков 30 и 31, отличаются по фазе на /2, то на выходах смесителей 18, 21 (24, 27) формируются "квадратурные" сигналы. При этом на выходе смесителя 18 формируется синфазный ("I") сигнал как результат преобразования совокупности сигналов СРНС "GPS" и Глонасс" диапазона L₁, на выходе смесителя 21 формируется квадратурный ("Q") сигнал как результат преобразования совокупности сигналов СРНС "GPS" и "Глонасс" диапазона L₁, на выходе смесителя 24 формируется синфазный ("I") сигнал как результат преобразования совокупности сигналов СРНС "GPS" и "Глонасс" диапазона L₂, а на выходе смесителя 21 формируется квадратурный ("Q") сигнал как результат преобразования совокупности сигналов систем "GPS" и "Глонасс" диапазона L₂.

В результате второго преобразования частоты положение частотных полос, занимаемых сигналами СРНС "GPS" и "Глонасс", на оси частот изменяется как показано на фиг. 8, где фиг. 8а - частотные полосы сигналов СРНС "GPS" и "Глонасс" диапазона L₁ ("GPS" - 6,225...26,685 МГц, "Глонасс" - 1,0775... 28,735 МГц), фиг. 8б - частотные полосы сигналов СРНС "GPS" и "Глонасс" диапазона L₂( "GPS" - 0,295...20,755 МГц, "Глонасс" - -0,2975...23,485 МГц).

Преобразованные с помощью смесителя 18, 21, 24 и 27 сигналы СРНС "GPS" и "Глонасс" диапазонов L₁ и L₂ в каждом из каналов 4, 5, 6 и 7 второго преобразования частоты сигналов фильтруются ФНЧ 19, 22, 25 и 28 и преобразуются в цифровую форму с помощью АЦП 20, 23, 26 и 29.

Тактовая частота, определяющая частоту аналого-цифрового преобразования (т.е. частоту дикретизации по времени), в заявляемом устройстве выбирается в диапазоне 57,0 МГц, который установлен исходя из рекомендаций [9, с. 15-17] с учетом того, что полосы сигналов, преобразуемых в цифровую форму, не превышают 28,735 МГц (фиг. 8а, б), что практически вдвое меньше совокупной ширины полосы сигналов СРНС "GPS" и "Глонасс" диапазона L₁ или сигналов СРНС "GPS" и "Глонасс" L₂ на первой промежуточной частоте (фиг. 7а, б). При таком выборе тактовой частоты минимизируются потери навигационной информации, содержащейся в принимаемых сигналах при их преобразовании из аналоговой формы в цифровую.

С выхода АЦП 20 и 23 преобразованные в цифровой код квадратурные составляющие преобразованных по частоте сигналов СРНС "GPS" и "Глонасс" диапазоне L₁ поступают на первый выход устройства.

С выходов АЦП 26 и 29 преобразованные в цифровой код квадратурные составляющие преобразованных по частоте сигналов СРНС "GPS" и "Глонасс" диапазона L₂ поступают на второй выход устройства.

Выходные сигналы устройства далее обрабатываются в цифровом навигационном процессоре (на фиг. 5 не показан) для получения навигационной информации. При этом при разделении сигналов по системам ("GPS" и "Глонасс") используются известные алгоритмы обработки квадратурных сигналов.

Таким образом в заявляемом устройстве решается поставленная техническая задача - осуществляется прием и преобразование сигналов СРНС "GPS" и "Глонасс" с литерными частотами от i = -7 до i = 24 при использовании одного синтезатора частоты (а не трех как в прототипе) для формирования гетеродинных частот. Такое упрощение гетеродинного оборудования позволяет уменьшить габариты и упростить реализацию приемного устройства в целом. Указанная положительная особенность заявляемого устройства наряду с другой особенностью (обеспечением возможности приема сигналов с расширенным диапазоном литерных частот от i = -7 до i = 24) обуславливают перспективы заявляемого устройства по использованию в составе современного бортового радионавигационного оборудования.

Из рассмотренного видно, что заявляемое изобретение осуществимо, промышленно применимо, решает поставленную техническую задачу и имеет перспективы по использованию в составе навигационной аппаратуры потребителей СРНС, работающей одновременно по сигналам двух СРНС "GPS" и "Глонасс".

Источники информации

1. Кудрявцев И.В., Мищенко И.Н., Волынкин А.И. и др. Бортовые устройства спутниковой радионавигации/ Под ред. В.С.Шебшаевича.- М.: Транспорт, 1988.

2. Шебшаевич В.С., П.П.Дмитриев, Н.В.Иванцевич и др. Сетевые спутниковые радионавигационные системы / Под ред. В.С.Шебшаевича. - М.: Радио и связь, 1993.

3. Globar Positioning System (GPS) Receiver RF Front End Analog-Digitl Converter. Rockwell International Proprietary Information. Order Number. May 31, 1995.

4. Riley S., Howard N., Aardoom E., Daly P., Silvestrin P. "A Combined GPS/GLONASS High Precision Receiver for Spase Applications"/ Proc. of ION GPS-95, Palm Springs, CA, US, Sept. 12-15, 1995, p. 835-844.

5. Moses I. Navstar Global Positioning System oscillator regunirements for the GPS Manpack. Proc. of the 30th Annual Frequency Control Sympos., 1976, p. 390-400.

6. Глобальная навигационная спутниковая система. Интерфейсный контрольный документ (третья редакция). Координационный научно-информационный центр ВКС МО РФ. - М.: 1995.

7. Белоусов А.П., Каменецкий Ю.А. Коэффициент шума.- М.: Радио и связь, 1981.

8. Гассанов Л. Г., Липатов А.А., Марков В.В., Могильченко Н.А. Твердотельные устройства СВЧ в технике связи.- М.: Радио и связь, 1988.

9. Банков В.Н., Барулин Л.Г., Жодзишский М.И. и др. Радиоприемные устройства.- М.: Радио и связь, 1984.

10. Professional Products IC Handbook May 1991. GEC Plessey Semiconductors.

11. Маштей Д. Л., Янг Л., Джонс Е.М.Т. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи.- М.: Связь, 1971.

12. Жодзишский М.И., Мазепа Р.Б., Овсянников Е.П. и др. Цифровые радиоприемные системы. Справочник.- М.: Радио и связь, 1990.

13. M/A-COM. RF, microwave and millimeter wave. MMIC, Hybrid and Passive Components.