цифровой приемник спутниковой радионавигационной системы

Формула изобретения

Цифровой приемник спутниковой радионавигационной системы, содержащий последовательно соединенные антенну, радиоприемную часть и сигнальный процессор, включающий коррелятор, измеритель навигационных параметров, измеритель вектора состояния и блок назначения на каналы, соединенные последовательно, причем выход блока назначения на каналы подключен ко второму входу измерителя навигационных параметров, а также декодер навигационной информации, выход которого подключен ко второму входу измерителя вектора состояния, а вход - ко второму выходу измерителя навигационных параметров, при этом третий выход измерителя навигационных параметров подключен ко второму входу коррелятора, а четвертый выход - ко второму входу блока назначения на каналы, отличающийся тем, что в него дополнительно введены измеритель загрузки процессора и блок управления коррелятором, причем выход измерителя загрузки процессора подключен к третьему входу блока назначения на каналы, первый и второй выходы блока управления коррелятором подключены соответственно к управляющим входам коррелятора и блока назначения на каналы, а вход - к пятому выходу измерителя навигационных параметров.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области радионавигации и может быть использовано для точного определения вектора состояния (пространственных координат, составляющих вектора скорости и времени) различных объектов по сигналам спутниковой радионавигационной системы (СРНС).

Известны цифровые приемники сигналов СРНС GPS, предназначенные для определения вектора состояния объектов [1-3] и содержащие антенну, радиоприемную часть, блок цифровой обработки сигналов и микрокомпьютер. Цифровые приемники такого типа характеризуются тем, что формирование опорных сигналов и вычисление корреляции входного сигнала с опорными осуществляется в блоке цифровой обработки сигналов, а вычисление навигационных параметров и вектора состояния объекта - в микрокомпьютере. Следствием такой схемы построения цифровых приемников является значительное усложнение аппаратной части при увеличении числа параллельных каналов приема сигналов навигационных искусственных спутников Земли (НИСЗ).

Известны цифровые приемники сигналов СРНС GPS, в которых с целью упрощения аппаратной части формирование опорных сигналов и вычисление корреляции входного сигнала с опорными осуществляется в микрокомпьютере [4, 5]. Эти цифровые приемники содержат антенну, радиоприемную часть и микрокомпьютер. Однако цифровые приемники такого типа определяют вектор состояния объекта не в режиме реального времени, что является ограничением их использования на подвижных объектах.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является цифровой приемник сигналов СРНС GPS, описанный в [6]. Приемник состоит из антенны, радиоприемной части и микрокомпьютера, функционально реализующего коррелятор, измеритель навигационных параметров, измеритель вектора состояния, декодер навигационной информации и блок назначения на каналы. Антенна цифрового приемника предназначена для приема сигналов, излучаемых НИСЗ СРНС GPS. Выход антенны соединен с входом радиоприемной части. Радиоприемная часть осуществляет усиление сигналов, поступающих с выхода антенны, предварительную частотную селекцию от помех и преобразование входной смеси сигналов и помех в цифровую форму. С выхода радиоприемной части цифровые коды поступают на вход сигнального процессора, где происходит вычисление вектора состояния объекта.

Функциональная схема цифрового приемника представлена на фиг.5. Приемник состоит из антенны 1, радиоприемной части 2 и сигнального процессора 3, включающего коррелятор 4, измеритель навигационных параметров 5, измеритель вектора состояния 6, декодер навигационной информации 7 и блок назначения на каналы 8.

Устройство работает следующим образом. Аддитивная смесь сигнала и помехи принимается антенной 1, в которой происходит усиление принятой смеси и предварительная частотная селекция сигнала от помех. С выхода антенны 1 принятый сигнал поступает на вход радиоприемной части 2. Радиоприемная часть 2 осуществляет преобразование входного сигнала из частоты 1575.42 МГц в частоту 4.10 МГц и аналого-цифровое квантование преобразованного сигнала с частотой дискретизации 2.048 МГц. Выбор способа преобразования входного сигнала в промежуточную частоту, а также номиналы промежуточной частоты и частоты дискретизации обусловлены конкретной реализацией прототипа. Цифровые отсчеты (выборки) сигнала на промежуточной частоте в виде последовательности двоичных разрядов (знак выборки) поступают на первый вход коррелятора 4, в котором происходит разделение обработки принятого сигнала по каналам. Каждому каналу коррелятора 4 соответствует один НИСЗ. По номеру псевдослучайной последовательности (ПСП) НИСЗ и по соответствующим этому номеру оценкам задержки и частоты, которые поступают с третьего выхода измерителя навигационных параметров 5, в корреляторе 4 для каждого канала формируются опорные сигналы (оценки задержки и частоты используются для установки начальной позиции опорных сигналов относительно внутренней шкалы времени и их частоты соответственно) и вычисляется корреляция между опорными сигналами и сигналом, поступающим на первый вход коррелятора 4. В результате формируются квадратурные отсчеты (I,Q) сигнала НИСЗ для каждого канала коррелятора 4, которые затем поступают на первый вход измерителя навигационных параметров 5. По квадратурным отсчетам (I,Q) в измерителе навигационных параметров 5 формируются новые уточненные оценки задержки и частоты сигнала, а также символы данных для НИСЗ, назначенных на каналы коррелятора 4. Кроме того, по номерам НИСЗ, поступающим на второй вход измерителя навигационных параметров 5 с выхода блока назначения на каналы 8 определяются номера ПСП, которые затем используются в корреляторе 4 для формирования опорных сигналов. Символы данных для каждого НИСЗ со второго выхода измерителя навигационных параметров 5 поступают на вход декодера навигационной информации 7, где происходит выделение навигационных данных (альманаха, эфемерид НИСЗ и т.д.) из потока двоичных символов. По оценкам задержки и частоты сигнала для каждого НИСЗ, поступающим с первого выхода измерителя навигационных параметров 5, а также навигационным данным, поступающим с выхода декодера навигационной информации 7, в измерителе вектора состояния 6 осуществляется вычисление пространственных координат, составляющих вектора скорости объекта и времени, а также расчет НИСЗ, которые находятся в зоне радиовидимости приемника. С первого выхода измерителя вектора состояния 6 оценка координат, скорости и времени поступает в интерфейс, а со второго выхода номера видимых НИСЗ поступают на вход блока назначения на каналы 8, в котором происходит распределение видимых НИСЗ по каналам коррелятора 4. При назначении НИСЗ на канал учитывается статус канала (свободен, поиск, слежение), поступающий с четвертого выхода измерителя навигационных параметров 5.

Недостатком описанной схемы цифрового приемника является неоптимальное использование вычислительных ресурсов сигнального процессора при обработке выборок сигнала, поступающих с выхода радиоприемной части, что приводит к ограничению числа параллельных каналов приема сигналов НИСЗ. Неоптимальность использования вычислительных ресурсов заключается в том, что их распределение по каналам цифрового приемника осуществляется вне зависимости от качества принимаемого сигнала НИСЗ. Таким образом, при избыточности входных данных в каком-либо из каналов приемника соответствующий ресурс сигнального процессора используется не эффективно. Увеличение числа параллельных каналов приема сигналов НИСЗ для повышения точности и достоверности оценки вектора состояния объекта по описанной схеме связано со значительными аппаратными затратами.

Задачей настоящего изобретения является создание цифрового приемника сигналов СРНС, который обеспечил бы наиболее оптимальное распределение вычислительных ресурсов сигнального процессора при обработке сигналов НИСЗ, позволяющее увеличить число каналов приема сигналов НИСЗ и как следствие повысить точность и достоверность определения вектора состояния объекта без дополнительных аппаратных затрат.

Основной технический результат от реализации предлагаемого изобретения заключается в повышении точности и достоверности определения вектора состояния объекта без увеличения аппаратных затрат вследствие динамического распределения вычислительных ресурсов сигнального процессора, позволяющего в реальном времени, в зависимости от условий работы приемника и качества принимаемого сигнала адаптивно менять число параллельных каналов приема сигналов НИСЗ. Технический результат достигается за счет того, что вычислительный ресурс сигнального процессора цифрового приемника СРНС распределяется по каналам приема сигналов НИСЗ с учетом условий работы приемника и качества принимаемого сигнала. В результате появляется свободный ресурс процессора, который используется для приема сигналов новых НИСЗ, т.е. увеличения числа параллельных каналов приема сигналов НИСЗ, что позволяет повысить точность и достоверность определения вектора состояния объекта без дополнительных аппаратных затрат.

Сущность изобретения заключается в том, что цифровой приемник сигналов СРНС содержит антенну, радиоприемную часть и сигнальный процессор, включающий коррелятор, измеритель навигационных параметров, измеритель вектора состояния, блок назначения на каналы, декодер навигационной информации, измеритель загрузки процессора и блок управления коррелятором. Выход антенны соединен с входом радиоприемной части, выход радиоприемной части подключен ко входу сигнального процессора, который является также первым входом коррелятора, первый выход коррелятора подключен к первому входу измерителя навигационных параметров, а первый, второй, третий, четвертый и пятый выходы измерителя навигационных параметров подключены соответственно к первому входу измерителя вектора состояния, ко входу декодера навигационной информации, ко второму входу коррелятора, ко второму входу блока назначения на каналы и ко входу блока управления коррелятором. Выход декодера навигационной информации подключен ко второму входу измерителя вектора состояния, второй выход которого подключен к первому входу блока назначения на каналы, выход блока назначения на каналы подключен ко второму входу измерителя навигационных параметров, первый и второй выходы блока управления коррелятором подключены к управляющим входам коррелятора и блока назначения на каналы соответственно, а выход измерителя загрузки процессора подключен к третьему входу блока назначения на каналы.

Новизна заключается в том, что сигнальный процессор цифрового приемника сигналов СРНС содержит измеритель загрузки процессора и блок управления коррелятором с их новыми связями с другими функциональными элементами сигнального процессора: вход блока управления коррелятором подключен к пятому выходу измерителя навигационных параметров, а первый и второй выходы - к управляющим входам коррелятора и блока назначения на каналы соответственно, выход измерителя загрузки процессора подключен к третьему входу блока назначения на каналы. Кроме того, коррелятор и блок назначения на каналы выполнены управляемыми.

Измеритель загрузки процессора является функциональным элементом сигнального процессора и реализован в виде последовательности инструкций процессора (программы). Измеритель загрузки процессора предназначен для вычисления текущей оценки среднего значения интервала времени, затрачиваемого сигнальным процессором на выполнение всех задач за фиксированный интервал времени и выполняет следующие процедуры: измерение максимального свободного ресурса сигнального процессора за фиксированный интервал времени, измерение свободного ресурса при выполнении процессором всех задач за этот интервал времени и вычисление усредненной оценки текущей загрузки сигнального процессора. Вычисленная оценка текущей загрузки процессора поступает на вход блока назначения на каналы.

Блок управления коррелятором является функциональным элементом сигнального процессора, реализован в виде программы процессора и предназначен для вычисления коэффициентов использования входных данных для всех НИСЗ, назначенных на каналы коррелятора. Указанные коэффициенты вычисляются для каждого НИСЗ на основании измеренного отношения сигнал/шум, поступающего с пятого выхода измерителя навигационных параметров и расчетного порогового значения отношения сигнал/шум, при котором обеспечивается надежная работа системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Вычисленные коэффициенты использования входных данных поступают на управляющие входы коррелятора и блока назначения на каналы.

Коррелятор является функциональным элементом сигнального процессора, реализован в виде программы процессора и включает последовательно соединенные генератор ПСП, смеситель и интегратор со сбросом, а также генератор несущей частоты, выход которого соединен со вторым входом смесителя. Коррелятор предназначен для вычисления квадратурных составляющих сигнала НИСЗ по квадратурным отсчетам (выборкам) сигнала на промежуточной частоте, поступающим с выхода радиоприемной части, по номерам ПСП и оценкам задержки и частоты, поступающим с выхода измерителя навигационных параметров, а также по коэффициентам использования данных для каждого канала, поступающим с выхода блока управления коррелятором. Сформированные квадратурные отсчеты поступают на вход измерителя навигационных параметров, где используются для вычисления новых оценок задержки и частоты сигналов НИСЗ и выделения символов данных, которыми модулирован сигнал, излучаемый НИСЗ.

Блок назначения на каналы является функциональным элементом сигнального процессора, реализован в виде программы процессора и предназначен для определения НИСЗ, из числа находящихся в зоне радиовидимости приемника, которые должны быть назначены на каналы коррелятора. Назначение НИСЗ на каналы коррелятора осуществляется с учетом текущей загрузки сигнального процессора, поступающей с выхода измерителя загрузки процессора, а также геометрического фактора рабочего созвездия НИСЗ, вычисленного на основании поступающих с выхода измерителя вектора состояния направляющих косинусов НИСЗ, находящихся в зоне радиовидимости приемника.

К описанию изобретения прилагается графический материал. На фиг.1 представлена функциональная схема приемника, реализованного в соответствии с предлагаемым изобретением. На фиг.2а изображен пример реализации радиоприемной части. На фиг.2б представлена функциональная схема коррелятора. На фиг.3 представлена блок-схема алгоритма работы блока назначения на каналы. На фиг. 4 изображена гистограмма отношения сигнал/шум, измеренного в полосе 1 Гц, для низкоорбитального объекта. На фиг.5 представлена функциональная схема прототипа.

Предлагаемый цифровой приемник (фиг.1) состоит из последовательно соединенных антенны 1, радиоприемной части 2 и сигнального процессора 3, включающего коррелятор 4, измеритель навигационных параметров 5, измеритель вектора состояния 6, блок назначения на каналы 8, соединенные последовательно, а также декодер навигационной информации 7, блок управления коррелятором 9 и измеритель загрузки процессора 10. Второй выход измерителя навигационных параметров 5 соединен с входом декодера навигационной информации 7, выход которого соединен со вторым входом измерителя вектора состояния 6. Третий выход измерителя навигационных параметров 5 соединен со вторым входом коррелятора 4, четвертый выход - со вторым входом блока назначения на каналы 8, а пятый выход - с входом блока управления коррелятором 9. Выход блока назначения на каналы 8 соединен со вторым входом измерителя навигационных параметров 5, а третий вход - с выходом измерителя загрузки процессора 10. Первый выход блока управления коррелятором 9 соединен с управляющим входом коррелятора 4, а второй выход - с управляющим входом блока назначения на каналы 8.

Антенна 1 цифрового приемника предназначена для приема сигналов L1-диапазона (1575.42 МГц), излучаемых НИСЗ СРНС GPS. В описываемой реализации приемника используется пассивная антенна с полусферической диаграммой направленности и правосторонней круговой поляризацией. Выход антенны 1 соединен с входом радиоприемной части 2.

Радиоприемная часть 2 цифрового приемника предназначена для усиления сигнала, поступающего с выхода антенны 1, предварительной частотной селекции от помех и преобразования входной смеси сигналов и помех в цифровую форму на промежуточной частоте. На фиг.2а представлена функциональная схема радиоприемной части 2 описываемой реализации приемника. Радиоприемная часть 2 состоит из последовательно соединенных опорного генератора (ОГ) 14, блока усиления и предварительной фильтрации (БУПФ) 11 и блока цифровой обработки (БЦО) 12, а также синтезатора частот (СЧ) 13, выход которого соединен с управляющими входами БУПФ 11 и БЦО 12, а вход - со вторым выходом БУПФ 11. В описываемом приемнике в качестве ОГ 14 используется кварцевый генератор частоты 10 МГц с относительной нестабильностью 10^-6, а БУФП 11 реализован на широко используемой СБИС GP2010 [7]. СЧ 13 формирует из опорной частоты 40 МГц, поступающей с выхода БУПФ 11, частоту дискретизации входного сигнала 40/7 МГц. БЦО 12 предназначен для преобразования цифрового сигнала с выхода БУПФ 11 из вещественной формы в комплексную и предварительной буферизации квадратурных отсчетов с целью сохранения ресурсов сигнального процессора 3. Выходом БЦО 12 являются квадратурные отсчеты входного сигнала, взятые на промежуточной частоте с частотой дискретизации 40/7 МГц и упакованные в 32 разрядные слова. Наличие БЦО 12 в радиоприемной части 2 обусловлено конкретной реализацией БУПФ 11 и в общем случае является необязательным. Выход радиоприемной части 2 соединен с входом сигнального процессора 3.

Сигнальный процессор 3 (фиг. 1) цифрового приемника предназначен для вычисления вектора состояния объекта по выборкам сигнала на промежуточной частоте, поступающим с выхода радиоприемной части 2. Сигнальный процессор 3 включает коррелятор 4, измеритель навигационных параметров 5, измеритель вектора состояния 6, декодер навигационной информации 7, блок назначения на каналы 8, блок управления коррелятором 9 и измеритель загрузки процессора 10.

Коррелятор 4 (фиг. 2б) по квадратурным отсчетам (выборкам) сигнала на промежуточной частоте, поступающим с выхода радиоприемной части 2, по номерам ПСП и оценкам задержки и частоты, поступающим с выхода измерителя навигационных параметров 5, а также коэффициентам использования входных данных для каждого канала коррелятора, поступающим с выхода блока управления коррелятором 9, вычисляет квадратурные составляющие (I,Q) сигналов НИСЗ, назначенных на каналы. Для описываемой реализации цифрового приемника квадратурные выборки сигнала на промежуточной частоте, упакованные в 32-разрядные слова, поступают на вход коррелятора 4 с частотой 20/7/32 МГц; номера ПСП, оценки задержки сигнала и частоты, а также коэффициенты использования входных данных поступают на вход коррелятора 4 с частотой замыкания систем слежения за задержкой (ССЗ) и ФАПЧ. Формируемые коррелятором 4 квадратурные составляющие сигнала (I, Q) с частотой 1 кГц поступают на вход измерителя навигационных параметров 5. Функциональная схема коррелятора 4 представлена на фиг. 2б. Коррелятор 4 включает последовательно соединенные генератор ПСП 15, смеситель 17 и интегратор со сбросом 18, а также генератор несущей 16, выход которого соединен со вторым входом смесителя 17.

Генератор ПСП 15 по номеру ПСП и оценке задержки сигнала и частоты формирует опорную последовательность отсчетов ПСП с интервалом дискретизации входного сигнала. В описываемом цифровом приемнике генератор ПСП 15 состоит из накапливающего сумматора (регистра фазы) и таблицы заранее рассчитанных отсчетов ПСП на одной эпохе кода с шагом 1/16 интервала дискретизации входного сигнала. Число формируемых отсчетов опорной ПСП определяется как произведение номинального числа отсчетов ПСП на одной эпохе кода и коэффициента использования входных данных. Сформированные отсчеты поступают на вход смесителя 17.

Генератор несущей 16 по оценке частоты сигнала формирует опорную последовательность квадратурных отсчетов несущей частоты с интервалом дискретизации входного сигнала. В описываемом цифровом приемнике генератор несущей 16 реализован по принципу прямого цифрового синтеза частоты [8] и состоит из 32-разрядного регистра фазы и таблицы заранее рассчитанных значений функции синус и косинус с шагом /128. Число формируемых квадратурных отсчетов опорной несущей определяется как произведение номинального числа отсчетов несущей и коэффициента использования входных данных. Сформированные отсчеты поступают на вход смесителя 17.

В смесителе 17 вычисляется свертка квадратурных выборок сигнала на промежуточной частоте, поступающих с выхода радиоприемной части 2, с квадратурными отсчетами опорного сигнала, сформированными с помощью генераторов ПСП и несущей. Свертка вычисляется с учетом коэффициента использования входных данных. Сформированные квадратурные отсчеты поступают на вход интегратора со сбросом 18. Для описываемой реализации цифрового приемника частота формирования квадратурных выборок равна 20/7/16 МГц.

Интегратор со сбросом 18 осуществляет накопление квадратурных отсчетов, поступающих с выхода смесителя 17, на интервале номинально, равном примерно одной эпохе кода. Фактическая длительность интервала накопления определяется коэффициентом использования входных данных. Результирующие квадратурные отсчеты (I,Q) формируются с частотой 1 кГц. Сформированные квадратурные отсчеты поступают на вход измерителя навигационных параметров 5.

Блок управления коррелятором 9 по измеренному для каждого НИСЗ отношению сигнал/шум, поступающему с пятого выхода измерителя навигационных параметров 5, вычисляет коэффициент использования входных данных для всех НИСЗ, назначенных на каналы коррелятора 4. Коэффициент использования входных данных K_i вычисляется в соответствии с формулой: K_i = q_min/q_i, где q_i - измеренное отношение сигнал/шум для i-го НИСЗ (в разах); q_min - пороговое отношение сигнал/шум (минимально возможное для надежной работы системы ФАПЧ) (в разах). Сформированные коэффициенты использования входных данных K_i поступают на управляющие входы коррелятора 4 и блока назначения на каналы 8.

Измеритель загрузки процессора 10 вычисляет оценку среднего значения интервала времени, затрачиваемого сигнальным процессором 3 на выполнение всех задач, за фиксированный интервал времени, например за 1 секунду. В описываемой реализации цифрового приемника алгоритм вычисления загрузки использует 32-х разрядный счетчик и метки времени (1 Гц), формируемые сигнальным процессором 3, и включает в себя следующие процедуры:

1) измерение максимального свободного ресурса сигнального процессора за фиксированный интервал времени;

2) измерение текущего значения свободного ресурса при выполнении сигнальным процессором всех задач на фиксированном интервале времени;

3) вычисление усредненной оценки загрузки сигнального процессора.

Первая процедура выполняется однократно на этапе инициализации сигнального процессора 3 и заключается в вычислении максимального значения счетчика за интервал времени между двумя соседними метками 1 Гц. Измерение текущей загрузки процессора осуществляется на уровне фоновых задач как разность между единицей и отношением измеренного значения счетчика между соседними метками времени к максимальному. Измеренное значение загрузки процессора усредняется с использованием фильтра скользящего сглаживания 1-го порядка по 10 измерениям. С выхода измерителя загрузки процессора 10 вычисленная оценка загрузки поступает на вход блока назначения на каналы 8.

Измеритель навигационных параметров 5 по измеренным квадратурным составляющим (I,Q) сигнала НИСЗ, поступающим с выхода коррелятора 4, вычисляет оценку задержки сигнала и частоты, отношение сигнал/шум для НИСЗ, назначенных на каналы коррелятора 4, а также выделяет символы данных, которыми модулирована несущая частота, для каждого НИСЗ. Измеритель навигационных параметров 5 включает:

1) ССЗ;

2) системы частотной автоподстройки (ЧАП) и ФАПЧ;

3) измеритель отношения сигнал/шум;

4) схему синхронизации внутренней шкалы времени (ШВ) цифрового приемника с границей символа данных.

ССЗ, ЧАП и ФАПЧ, а также схема синхронизации ШВ с границей символа реализованы по стандартным алгоритмам. Детальное описание алгоритмов работы перечисленных схем можно найти, например, в [8]. Измеренные оценки задержки и частоты с выхода измерителя навигационных параметров 5 поступают на входы измерителя вектора состояния 6 и коррелятора 4, измеренное отношение сигнал/шум - на вход блока управления коррелятором 9, а символы данных для каждого НИСЗ - на вход декодера навигационной информации 7. Кроме того, измеритель навигационных параметров 5 по номерам НИСЗ, поступающим на его вход с выхода блока назначения на каналы 8, формирует номера ПСП для коррелятора 4.

Декодер навигационной информации 7 выделяет из потока двоичных символов, поступающих с выхода измерителя навигационных параметров 5, навигационные данные (эфемериды, альманах, параметры модели ионосферы и бортовой ШВ) для НИСЗ, за сигналами которых осуществляется слежение системами ССЗ и ФАПЧ.

Декодер навигационной информации 7 выполняет следующие процедуры:

1) синхронизацию внутренней ШВ приемника с началом кадра навигационного сообщения НИСЗ;

2) декодирование и контроль достоверности данных.

В описываемом цифровом приемнике декодер навигационной информации 7 реализован на основе общеизвестных алгоритмов, описанных в [9]. С выхода декодера навигационной информации 7 навигационные данные о НИСЗ поступают на вход измерителя вектора состояния 6.

Измеритель вектора состояния 6 по вычисленным оценкам задержки сигнала и сдвига частоты, поступающим с выхода измерителя навигационных параметров 5, а также по навигационным данным, поступающим с выхода декодера навигационной информации 7, вычисляет пространственные координаты, составляющие вектора скорости объекта и время с использованием тех НИСЗ, которые были выбраны блоком назначения на каналы 8. В описываемом цифровом приемнике измеритель вектора состояния 6 реализует метод наименьших квадратов, использующий одномоментные измерения по всем выбранным НИСЗ. Процедура вычисления оценки вектора состояния методом наименьших квадратов является стандартной и описана, например, в [10].

Блок назначения на каналы 8 определяет номера НИСЗ, находящихся в зоне радиовидимости цифрового приемника, которые будут использоваться измерителем вектора состояния 6 для определения координат, вектора скорости и времени объекта. Блок-схема алгоритма работы блока назначения на каналы 8 описываемой реализации цифрового приемника представлена на фиг.3. На вход блока сравнения 20 поступает текущая оценка загрузки сигнального процессора T, вычисленная измерителем загрузки процессора 10. В случае T > T_max необходимо сделать переназначение НИСЗ по каналам коррелятора 4. Для этого блок 26 формирует всевозможные комбинации НИСЗ из числа видимых, удовлетворяющие неравенству:



где K_i - коэффициент использования данных для i-го НИСЗ (K_i = 1, для НИСЗ, у которых отношение сигнал/шум не вычислено); T_max - максимально допустимая загрузка процессора; T₀ - верхняя оценка загрузки процессора одним каналом коррелятора, которая может быть получена заранее расчетным путем. В блоке 27 из сформированных наборов выделяются те, которые содержат оптимальную четвертку НИСЗ из числа назначенных на каналы. Блок 28 осуществляет выбор из выделенных наборов НИСЗ такого набора, который имеет минимальный геометрический фактор. Номера выбранных НИСЗ поступают на вход блока 29, в котором происходит распределение НИСЗ по каналам коррелятора 4. В случае T T_max в блоке 21 вычисляется N (число резервных каналов коррелятора 4) в соответствии с формулой:



где [x] - целая часть числа x. Если N 0 блок 23 по статусу каналов коррелятора, поступающему с выхода измерителя навигационных параметров 5, определяет НИСЗ, назначенные на каналы и формирует рабочее созвездие из (M+N) НИСЗ (М - текущее число каналов коррелятора), включающее назначенные на каналы НИСЗ и имеющее минимальный геометрический фактор. Номера НИСЗ сформированного созвездия поступают на вход блока 29. В противном случае (N = 0), в блоке 24 анализируется текущее число каналов коррелятора М. Если М = 4, то в блоке 25 происходит вычисление геометрического фактора рабочего созвездия и при превышении им заданного порога выбор новой оптимальной четвертки НИСЗ. Если же М > 4, то происходит переназначение НИСЗ по каналам в соответствии с описанными в блоках 26, 27 и 28 процедурами. В описанном алгоритме предполагается, что в цифровом приемнике реализованы по крайней мере 4 параллельных канала коррелятора.

Устройство работает следующим образом. Антенна 1 принимает аддитивную смесь сигнала и помехи, усиливает принятую смесь и осуществляет предварительную частотную селекцию сигнала от помех. С выхода антенны 1 принятый сигнал поступает на вход радиоприемной части 2, где осуществляется преобразование входного сигнала из частоты 1575.42 МГц в частоту 4.309 МГц, аналого-цифровое квантование преобразованного сигнала с частотой дискретизации 40/7 5.71 МГц, формирование квадратурных отсчетов сигнала на промежуточной частоте и предварительная буферизация полученных отсчетов в 32-разрядные слова. Упакованные в слова отсчеты сигнала на промежуточной частоте поступают на вход сигнального процессора 3, который является также первым входом коррелятора 4. В корреляторе 4 происходит разделение обработки принятого сигнала по каналам. Каждому каналу коррелятора 4 соответствует один НИСЗ. По номеру ПСП НИСЗ и по соответствующим этому номеру оценкам задержки и частоты, которые поступают с третьего выхода измерителя навигационных параметров 5, в корреляторе 4 для каждого канала формируются опорные сигналы и вычисляется корреляция между опорными сигналами и сигналом, поступающим на первый вход коррелятора 4. Вычисление корреляции входного сигнала с опорными осуществляется с учетом коэффициентов использования данных K_i для каждого канала, поступающих на управляющий вход коррелятора 4 с первого выхода блока управления коррелятором 9. Для расчета квадратурных отсчетов (I,Q) сигнала НИСЗ в i-ом канале число обрабатываемых выборок входного сигнала прямо пропорционально K_i. Вычисленные квадратурные отсчеты (I,Q) сигнала НИСЗ для каждого канала коррелятора 4 поступают на первый вход измерителя навигационных параметров 5, где формируются новые уточненные оценки задержки и частоты сигнала, отношение сигнал/шум, а также символы данных для всех НИСЗ, соответствующих каналам коррелятора 4. Кроме того, по номерам НИСЗ, поступающим на второй вход измерителя навигационных параметров 5 с выхода блока назначения на каналы 8, определяются номера ПСП, которые затем используются в корреляторе 4 для формирования опорных сигналов. Сформированные оценки задержки сигнала и частоты, а также номера ПСП с третьего выхода измерителя навигационных параметров 5 поступают на второй вход коррелятора 4. Измеренное отношение сигнал/шум для каждого из НИСЗ, назначенных на каналы коррелятора 4, с пятого выхода измерителя навигационных параметров 5 поступает на вход блока управления коррелятором 9, где используется для вычисления коэффициентов использования данных. Коэффициент использования данных для i-го канала вычисляется в соответствии с формулой: K_i = q_min/q_i, где q_i - измеренное отношение сигнал/шум для НИСЗ, соответствующего i-му каналу коррелятора 4 (в разах); q_min - пороговое отношение сигнал/шум (минимально возможное для надежной работы системы ФАПЧ) (в разах). Символы данных для каждого НИСЗ со второго выхода измерителя навигационных параметров 5 поступают на вход декодера навигационной информации 7, где происходит выделение навигационных данных (альманаха, эфемерид НИСЗ и т.д.) из потока двоичных символов. В измерителе вектора состояния 6 осуществляется вычисление пространственных координат, составляющих вектора скорости объекта и времени на основании измеренных оценок задержки и частоты сигнала для каждого НИСЗ, поступающих с первого выхода измерителя навигационных параметров 5, и навигационных данных, поступающих с выхода декодера навигационной информации 7, а также расчет НИСЗ, находящихся в зоне радиовидимости приемника. С первого выхода измерителя вектора состояния 6 оценка координат, скорости и времени поступает в интерфейс, а со второго выхода номера видимых НИСЗ поступают на первый вход блока назначения на каналы 8, в котором происходит распределение видимых НИСЗ по каналам коррелятора 4.

Определение НИСЗ, назначаемых на каналы коррелятора 4, осуществляется с учетом текущей загрузки сигнального процессора 3, поступающей с выхода измерителя загрузки процессора 10, коэффициентов использования данных K_i для каждого канала коррелятора 4, поступающих со второго выхода блока управления коррелятором 9 и статуса канала (свободен, поиск, слежение), поступающего с четвертого выхода измерителя навигационных параметров 5.

Технический результат предлагаемого изобретения поясняется на примере использования цифрового приемника сигналов СРНС на низкоорбитальном КА. Для рассматриваемого приложения приемник и входящий в него сигнальный процессор должны удовлетворять требованиям радиационной стойкости. К настоящему времени на рынке радиационно-стойких сигнальных процессоров доступными являются процессоры с производительностью до 20 MIPs (миллионов операций в секунду). Для сигнального процессора с производительностью 20 MIPs в рамках описанной схемы приемника может быть реализовано не более четырех параллельных каналов коррелятора. Путем моделирования движения низкоорбитального КА [11] показано, что в зоне радиовидимости приемника, расположенного на КА, может находиться до 8 НИСЗ СРНС GPS. Следовательно, прототип не обеспечивает потенциальной точности определения вектора состояния объекта. На фиг.6 представлена гистограмма распределения отношения сигнал/шум, измеренного в полосе 1 Гц приемником, расположенным на низкоорбитальном КА, для НИСЗ СРНС GPS. Анализ гистограммы показывает, что среднее значение отношения сигнал/шум находится в пределах 47-48 дБ. Такое отношение сигнал/шум является избыточным для оценки задержки и частоты сигнала НИСЗ и, следовательно, может быть понижено, по крайней мере на 6 дБ за счет уменьшения объема обрабатываемых входных данных (выборок) в 4 раза, без ухудшения точности оценки вектора состояния КА. С другой стороны, уменьшение объема входных данных предоставляет дополнительный ресурс для сигнального процессора, который может быть использован в целях обработки сигналов новых НИСЗ. Так как загрузка сигнального процессора определяется в основном работой коррелятора, а число операций, выполняемых коррелятором, прямо пропорционально объему обрабатываемых входных данных, то уменьшение объема входных данных в 4 раза позволяет во столько же раз увеличить число каналов слежения за сигналами НИСЗ. Использование предлагаемого изобретения позволяет без дополнительных аппаратных затрат реализовать 16 параллельных каналов коррелятора (в среднем). Увеличение числа НИСЗ, используемых для оценки вектора состояния КА даже при понижении точности измерения навигационных параметров, позволяет повысить точность оценки, а также ее достоверность. Поясним вышесказанное численным расчетом.

Известно, что среднеквадратическая погрешность (СКП) оценки вектора состояния объекта по сигналам НИСЗ СРНС определяется соотношением:

= Г_p,

где - коэффициент значимости, определяемый заданной вероятностью точности оценки вектора состояния (например, для вероятности 0.95 коэффициент значимости равен 2); Г - пространственный геометрический фактор созвездия, по которому осуществлялась оценка вектора состояния объекта; _p - СКП измерения псевдодальности. СКП измерения задержки (псевдодальности) может быть оценена из выражения:

²_p = ²_SA+²_iono+²_trop+²_m+²_sys+²,

где _SA - погрешность, определяемая избирательным доступом для гражданских потребителей; _iono - погрешность задержки сигнала в ионосфере; _trop - погрешность задержки сигнала в тропосфере; _m - погрешность, определяемая многолучевостью; _sys - системная погрешность (неточности прогноза эфемерид, бортовой ШВ и т.д.); - СКП шумов приемника. СКП шумов приемника определяется параметрами коррелятора и ССЗ и может быть оценена из выражения:



где - длительность элементарного символа ПСП, м; B_DLL - односторонняя полоса ССЗ, Гц; T - постоянная времени коррелятора, с; q - отношение сигнал/шум в полосе 1 Гц. Для описываемой реализации цифрового приемника: B_DLL = 0.62 Гц, T = 0.001 с. Таким образом, для низкоорбитального КА находится в пределах 0.37 - 0.66 м. В таблице 1 представлены значения приведенных погрешностей при использовании С/А - кода [10].

На основании данных таблицы 1 и приведенного выше расчета , можно сделать вывод, что увеличение в 2 раза (что соответствует уменьшению отношения сигнал/шум на 6 дБ) приведет к увеличению суммарной СКП всего лишь в 1.006 раза даже при отсутствии режима избирательного доступа, т.е. практически не изменит точности измерения псевдодальности. Увеличение же числа НИСЗ, используемых для определения вектора состояния КА, приведет к уменьшению геометрического фактора созвездия. В таблице 2 приведена зависимость среднего значения пространственного геометрического фактора от числа используемых НИСЗ [11].

Из приведенных в таблице 2 данных следует, что при увеличении числа НИСЗ, используемых для оценки вектора состояния КА, например, с 4 (минимально необходимое число НИСЗ) до 8, геометрический фактор уменьшается в 1.34 раза и, следовательно, во столько же раз повышается точность оценки вектора состояния КА. Кроме того, увеличение числа каналов приема сигналов НИСЗ с 4 до 8 позволяет реализовать в приемнике автономный контроль целостности навигационного решения за счет использования избыточного числа одновременных измерений, что повышает достоверность определения вектора состояния объекта.

Литература

1. Method of Doppler searching in a digital GPS receiver. Патент США N 4701934, 1987.

2. Sequencer for a shared channel global positioning system receiver. Патент США N 5192957, 1993.

3. Satellite search methods for improving time to first fix in a GPS receiver. Патент США N 5402347, 1995.

4. GPS receiver and method for processing GPS signals. Патент США N 5663734, 1997.

5. MicroGPS: On-orbit Demonstraition of a New Approach to GPS for Space Applications / J. Srinivasan et al. ION GPS, USA, 1998.

6. 12 Channel Global Positioning System Receiver on a Programmable Platform. Accord Software & Systems Pvt. Ltd. Datasheet, 1998.

7. GP2010. GEC Plessey Semiconductors. Datasheet. DS4056-2.5, 1996.

8. Цифровые радиоприемные системы: Справочник / М.И. Жодзишский, Р.Б. Мазепа, Е.П. Овсянников и др. / Под ред. М.И. Жодзишского - М.: Радио и связь, 1990. - 208 с.

9. ICD GPS-200 (Technical Characteristics of the NAVSTAR GPS). June 1991.

10. Сетевые спутниковые радионавигационные системы / B.C. Шебшаевич и др.: Под ред. B.C. Шебшаевича. - М.: Радио и связь, 1993. - 408 с.

11. Considerations for The Application of GPS in Satellites: GPS System Trade Study / J.Kronman, T.McElroy. ION GPS, USA, 1994.