приёмник сигналов спутниковых радионавигационных систем "навстар" и "глонасс"

Формула изобретения

Приемник сигналов спутниковых радионавигационных систем, содержащий последовательно включенные антенну, входной фидер, широкополосный фильтр-преселектор, первый малошумящий усилитель, первый полосовой фильтр, второй малошумящий усилитель, первый смеситель, второй вход которого через синтезатор частот соединен с выходом опорного термостатированного генератора, второй полосовой фильтр и первый усилитель промежуточной частоты, при этом второй и третий выходы синтезатора частоты подключены соответственно к первому и второму входам блока комплексного преобразования сигнала, выход блока автоматической регулировки усиления соединен одновременно с вторыми входами первого усилителя промежуточной частоты, первого и второго малошумящих усилителей, отличающийся тем, что он снабжен вторым смесителем, третьим полосовым фильтром, вторым усилителем промежуточной частоты, коррелятором, пороговым блоком и ключом, причем к выходу второго малошумящего усилителя последовательно подключены второй смеситель, второй вход которого соединен с четвертым выходом синтезатора частот, третий полосовой фильтр, второй усилитель промежуточной частоты, второй вход которого соединен с выходом блока автоматической регулировки усиления, коррелятор, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя промежуточной частоты, пороговый блок и ключ, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя промежуточной частоты, а выход подключен к информационному входу блока комплексного преобразования сигнала и блока автоматической регулировки усиления.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемый приемник относится к спутниковой радионавигации и может быть использован на подвижных объектах, например на инкассаторских машинах, для первичной обработки информации, поступающей от двух взаимно рассинхронизованных спутниковых радионавигационных систем “Навстар” и “Глонасс”.

Известны приемники сигналов спутниковых радионавигационных систем (патент РФ №2.110.149, Н 04 В 1/06, 1993; Колоколов Ю.Д., Солошек Л.К. Состояние и перспективы разработки аппаратуры линейных трактов приемников и возбудителей передатчиков. -Электросвязь, 1993, №1, с.34; Абросимов В.И. и др. Использование системы Navstar для определения угловой ориентации объектов. -Зарубежная радиоэлектроника, 1989, №1, с.49; Сетевые спутниковые радионавигационные системы. Под ред. B.C.Шебшаевича. М., 1993; Мищенко И.Н., Романов Л.М. Новые разработки спутниковых радионавигационных систем. - Зарубежная радиоэлектроника, 1989, №1, с.68-82 и другие).

Из известных приемников наиболее близким к предлагаемому является “Приемник сигналов спутниковых радионавигационных систем” (патент РФ №2.110.149, Н 04 В 1/06, 1993), который и выбран в качестве прототипа.

Использование указанного приемника позволяет одновременно принимать и обрабатывать сигналы космических радионавигационных систем “Навстар” и “Глонасс” без дублирования каналов приема, т.е. с помощью одного приемного тракта. Кроме того, за счет уменьшения времени группового запаздывания при передаче сигналов систем “Навстар” и “Глонасс” повышаются точностные характеристики приемника, а реализация приемника позволяет его упростить и снизить энергетические потери.

Однако известный приемник выполнен по супергетеродинной схеме, в которой одно и то же значение промежуточной частоты Wnp может быть получено в результате приема сигналов на двух частотах Wc и Wз, т.е.

Wnp=Wc-Wг₁ и Wnp-Wг₁-Wз₁.

Следовательно, если частоту настройки Wс принять за основной канал приема, то наряду с ним будет иметь место зеркальный канал приема, частота Wз₁ которого отличается от частоты Wс на 2Wnp и расположена симметрично (зеркально) относительно частоты Wг₁ гетеродина (фиг.2). Преобразование по зеркальному каналу приема происходит с тем же коэффициентом преобразования Кпр, что и по основному каналу, поэтому он наиболее существенно влияет на избирательность и помехоустойчивость приемника.

Кроме зеркального существуют и другие дополнительные (комбинационные) каналы приема. В общем виде любой комбинационный канал приема имеет место при выполнении условия

Wnp=|±mWкi±nWг₁|,

где Wкi - частота i-го комбинационного канала приема;

m, n, i - целые положительные числа.

Наиболее вредными комбинационными каналами приема являются каналы, образующиеся при взаимодействии несущей частоты принимаемого сигнала с гармониками частоты гетеродина малого порядка (второй, третий и т.д.), так как чувствительность приемника по этим каналам близка к чувствительности основного канала. Так, двум комбинационным каналам при m=1 и n=2 соответствуют частоты

Wк₁=2Wг₁-Wnp и Wк₂=2Wг₁+Wnp.

Наличие ложных сигналов (помех), принимаемых по зеркальному и комбинационным каналам, приводит к снижению избирательности и помехоустойчивости приемника.

Технической задачей изобретения является повышение избирательности и помехоустойчивости приемника путем подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по зеркальному и комбинационным каналам.

Поставленная задача решается тем, что приемник сигналов спутниковых радионавигационных систем, содержащий последовательно включенные антенну, входной фидер, широкополосный фильтр-преселектор, первый малошумящий усилитель, первый полосовой фильтр, второй малошумящий усилитель, первый смеситель, второй вход которого через синтезатор частот соединен с выходом опорного термостатированного генератора, второй полосовой фильтр и первый усилитель промежуточной частоты, при этом второй и третий выходы синтезатора частот подключены соответственно к первому и второму входам блока комплексного преобразования сигнала, выход блока автоматической регулировки усиления соединен одновременно с вторыми входами первого усилителя промежуточной частоты, первого и второго малошумящих усилителей, снабжен вторым смесителем, третьим полосовым фильтром, вторым усилителем промежуточной частоты, коррелятором, пороговым блоком и ключом, причем к выходу второго малошумящего усилителя последовательно подключены второй смеситель, второй вход которого соединен с четвертым выходом синтезатора частот, третий полосовой фильтр, второй усилитель промежуточной частоты, второй вход которого соединен с выходом блока автоматической регулировки усиления, коррелятор, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя промежуточной частоты, пороговый блок и ключ, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя промежуточной частоты, а выход подключен к информационному входу блока комплексного преобразования сигнала и блока автоматической регулировки усиления.

Структурная схема предлагаемого приемника представлена на фиг.1. Частотная диаграмма, поясняющая причину образования дополнительных каналов приема, изображена на фиг.2.

Приемник сигналов спутниковых радионавигационных систем “Навстар” и “Глонасс” содержит последовательно включенные антенну, входной фидер 1, широкополосный фильтр-преселектор 2, первый малошумящий усилитель 3, первый полосовой фильтр 4, второй малошумящий усилитель 5, первый смеситель 6, второй вход которого через синтезатор частот 7 соединен с выходом опорного термостатированного генератора 8, второй полосовой фильтр 9 и первый усилитель 10 промежуточный частоты, последовательно подключенные к выходу второго малошумящего усилителя 5, второй смеситель 13, второй вход которого соединен с четвертым выходом синтезатора частот, третий полосовой фильтр 14, второй усилитель 15 промежуточной частоты, коррелятор 16, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя 10 промежуточной частоты, пороговый блок 17 и ключ 18, второй вход которого соединен с выходом усилителя 10 промежуточной частоты, а выход подключен к информационному входу блока 11 комплексного преобразования сигнала и блока 12 автоматической регулировки усиления. При этом выход блока 12 автоматической регулировки усиления соединен одновременно с вторым входом первого 3 и второго 5 малошумящих усилителей, первого 10 и второго 15 усилителей промежуточной частоты.

Предлагаемый приемник работает следующим образом.

На вход антенны приемника поступают одновременно сигналы космических аппаратов двух спутниковых радионавигационных систем “Навстар” и “Глонасс” S_L, которые в двух диапазонах принимаемых частот L₁ и L₂ имеют вид

S_j·L₁(t)=P_j(t)·D_j(t)·Cos(W_j·L₁·t+_jL₁),

S_j·L₂(t)=P_j(t)·D_j(t)·Cos(W_j·L₂·t+_jL₂),

где Р_j (t) - псевдослучайная огибающая j-го КА, j=1, 2,..., n;

D_j(t) - навигационное сообщение j-го КА;

W_j·L₁, W_j·L₂ - несущие частоты в диапазонах L₁ и L₂ от j-го космического аппарата;

_j·L₁, _j·L₂ - начальные фазы принимаемых сигналов.

Амплитудно-частотная характеристика приемного тракта определяется спектрами частот принимаемых сигналов. Спектр сигналов системы КА GPS “Навстар” при работе по коду общего применения С/А составляет (1574,42-1594,24) МГц, а спектр сигналов КА системы “Глонасс” при работе по С/А и Р-кодам составляет (1602-1620) МГц.

Это означает, что общая полоса частот принимаемых сигналов равна

1574,42W1620,6 МГц,

т.е. занимаемая полоса частот W составляет 50 МГц.

Принимаемые ФМН-сигналы с антенны поступают во входной фидер 1, который представляет собой четвертьволновый замкнутый на одной стороне отрезок коаксиальной линии и служит для согласования параметров антенны и входных цепей приемника. С выхода фидера 1 ФМН-сигналы поступают на вход широкополосного фильтра-преселектора 2, который служит для ограничения полосы частот принимаемых сигналов в диапазоне 1574,42-1621 МГц. Указанный фильтр, выполненный на микрополосковых линиях, реализует эллиптический полосовой фильтр Кауэра 5-го порядка. Широкополосный фильтр-преселектор 2 обладает важным достоинством, а именно практически линейной фазой в полосе пропускания фильтра, что является большим преимуществом при работе со сложными фазоманипулированными сигналами, принимаемыми со спутников. Это приводит, например, к тому, что фильтр-преселектор 2 имеет одинаковое линейное время группового запаздывания в полосе пропускания, равное примерно 2,5 нc. Такая реализация приводит к тому, что нет необходимости использовать специальный калибратор для обеспечения одинакового времени группового запаздывания для всех сигналов, принимаемых от КА.

С выхода фильтра-преселектора 2 сигнал поступает на вход малошумящего усилителя 3, выход которого соединен с входом полосового фильтра 4, выходной сигнал которого поступает на вход второго малошумящего усилителя 5.

Полосовой фильтр 4 предназначен для устранения дополнительных пульсаций в полосе заграждения широкополосного фильтра-преселектора 2, а также для развязки между малошумящими усилителями 3 и 5. Основное усиление приемного тракта обеспечивается малошумящими усилителями 3 и 5, которые выполнены на основе арсенид-галлиевых транзисторов с барьером Шоттки. Параметры малошумящих усилителей 3 и 5: коэффициент усиления 35дБ, диапазон принимаемых частот 1-8 ГГц при неравномерности амплитудно-частотной характеристики 1 дБ и коэффициенте шума 1,1 дБ.

Дальше сигнал с выхода второго малошумящего усилителя 5 поступает на первые входы смесителей 6 и 13, на вторые входы которых подаются напряжения с первого и четвертого выходов синтезатора 7 частот. Причем частоты этих напряжений разнесены на удвоенное значение промежуточной частоты

Wг₂-Wг₁-2Wnp

и выбраны симметричными относительно частоты Wс основного канала

Wс-Wг₁=Wг₂-Wс=Wnp.

Это обстоятельство приводит к удвоению числа дополнительных каналов приема (фиг.2), но создает благоприятные условия для их подавления с помощью корреляционной обработки принимаемых сигналов. Выходы смесителей 6 и 13 соединены с полосовыми фильтрами 9 и 14 соответственно, каждый из которых представляет собой два последовательно включенных фильтра Бесселя третьего порядка с линейной фазочастотной характеристикой, настроенные на частоты сигналов космических аппаратов системы GPS “Навстар” (133-137 МГц) и системы “Глонасс” (157-181 МГц), обеспечивая тем самым обработку входной информации в широкой полосе частот. Выходы полосовых фильтров 9 и 14 соединены соответственно с усилителями 10 и 15 промежуточной частоты для дальнейшего усиления входного сигнала.

Для обеспечения постоянства коэффициента усиления в заданных пределах используется блок 12 автоматической регулировки усиления, охватывающий малошумящие усилители 3 и 5, усилители 10 и 15 промежуточной частоты.

Напряжения с выходов усилителей 10 и 15 промежуточной частоты поступают на два входа коррелятора 16, на выходе которого образуется корреляционная функция R(). Последняя сравнивается с пороговым уровнем Vnор в пороговом блоке 17. Пороговое напряжение Vnор превышается только при максимальном значении корреляционной функции R_mах(). Так как напряжения с выходов усилителей 5 и 10 промежуточной частоты образованы одним и тем же ФМН-сигналом, принимаемым по основному каналу на частоте Wc (фиг.2), то между этими напряжениями существует сильная корреляционная связь, корреляционная функция достигает своего максимального значения R_max(), которое превышает пороговый уровень Vnор. Следует отметить, что корреляционная функция ФМН-сигнала имеет замечательное свойство: высокий уровень главного лепестка и низкий уровень боковых лепестков. При превышении порогового уровня Vnop в пороговом блоке 17 формируется постоянное напряжение, которое поступает на управляющий вход ключа 18 и открывает его. В исходном состоянии ключ 18 всегда закрыт.

При этом выходное напряжение усилителя 10 промежуточной частоты через открытый ключ 18 поступает на информационный вход блока 11 комплексного преобразования сигналов, в котором реализована квадратурная обработка входной информации за счет подачи на управляющие входы данного узла прямоугольных импульсов со сдвигом на четверть периода, при этом на выходах J₁, J₂ образуется синусная, а на выходах Q₁, Q₂ - косинусная составляющая входного информационного сигнала.

Описанная выше работа приемника соответствует случаю приема ФМН-сигналов по основному каналу на частоте Wc (фиг.2).

Если ложный сигнал (помеха) принимается по первому зеркальному каналу на частоте Wз₁, то на выходе смесителей 6 и 13 образуются напряжения следующих частот:

W₁₁=Wг₁-Wз₁=Wnp,

W₁₂-Wг₂-Wз₁-3Wnp,

где первый индекс обозначает номер канала, по которому принимается ложный сигнал (помеха);

- второй индекс обозначает частоту гетеродина, участвующую в преобразовании частоты принимаемого ложного сигнала (помехи).

Однако только напряжение с частотой W₁₁ попадает в полосу пропускания усилителя 10 промежуточной частоты. Выходное напряжение коррелятора 16 в этом случае равно нулю, ключ 18 не открывается и ложный сигнал (помеха), принимаемый по первому зеркальному каналу на частоте Wз₁, подавляется.

Если ложный сигнал (помеха) принимается по второму зеркальному каналу на частоте Wз₂, то на выходах смесителей 6 и 13 образуются напряжения следующих частот:

W₂₂-Wз₂-Wг₂=Wnp,

W₂₁=Wз₂-Wг₁=3Wnp.

Однако только напряжение с частотой W₂₂ попадает в полосу пропускания усилителя 15 промежуточной частоты. Выходное напряжение коррелятора 16 также равно нулю, ключ 18 не открывается и ложный сигнал (помеха), принимаемый по второму зеркальному каналу на частоте Wз₂, подавляется.

По аналогичной причине подавляются и другие ложные сигналы (помехи), принимаемые по первому комбинационному каналу на частоте Wк₁, или по второму комбинационному каналу на частоте Wк₂, или по любому другому комбинационному каналу Wз.

Если ложные сигналы (помехи) одновременно принимаются, например, по первому и второму зеркальным каналам на частотах Wз₁ и Wз₂, то на выходах смесителей 6 и 13 образуются напряжения следующих частот:

W₁₁=Wг₁-Wз₁=Wnp,

W₁₂=Wг₂-Wз₁=3Wnp,

W₂₂=Wз₂-Wг₂=Wnp,

W₂₁=Wз₂-Wг₁=3Wnp.

При этом напряжения с частотами W₁₁ и W₁₂ попадают в полосы пропускания усилителей 10 и 15 промежуточной частоты соответственно. Однако ключ 18 в этом случае также не открывается. Это объясняется тем, что ложные сигналы (помехи) принимаются на разных частотах Wз₁ и Wз₂ и между ними существует слабая корреляционная связь. Корреляционная функция не достигает максимального значения и не превышает пороговый уровень Vnop, ключ 18 не открывается и ложные сигналы (помехи), принимаемые одновременно по первому и второму зеркальным каналам на частотах Wз₁ и Wз₂, подавляются.

По аналогичной причине подавляются и ложные сигналы (помехи), принимаемые одновременно по двум или более другим каналам.

В приемнике достигнуты следующие преимущества:

а) обеспечение возможности приема и обработки сигналов двух спутниковых радионавигационных систем “Навстар” и “Глонасс” с помощью одного приемного тракта, а значит, достигнуто существенное упрощение приемной аппаратуры;

б) реализация приемника может быть осуществлена с помощью одного преобразования на промежуточную частоту с целью дальнейшей цифровой обработки сигналов, поступивших с КА спутниковых радионавигационных систем, и тем самым обеспечивает высокую надежность и точность работы схемы;

д) приемник обеспечивает более высокую точность воспроизведения входной информации за счет применения фильтров с эллиптической аппроксимацией, что реализует линейную фазочастотную характеристику и как следствие одинаковое и минимальное время групповой задержки для всех принимаемых сигналов.

Таким образом, предлагаемый приемник по сравнению с прототипом и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивает повышение избирательности и помехоустойчивости приема сигналов спутниковых радионавигационных систем “Навстар” и “Глонасс”. Это достигается за счет корреляционной обработки принимаемых сигналов и использования замечательного свойства корреляционной функции фазоманипулированных сигналов, которая имеет весьма высокий уровень главного лепестка и низкий уровень боковых лепестков.