Высокочувствительный приемник сигналов глобальных навигационных спутниковых систем

Высокочувствительный приемник сигналов глобальных навигационных спутниковых систем

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к радиотехнике, а именно, к области радионавигации, и может быть использовано при построении приемников Глобальных Навигационных Спутниковых Систем (ГНСС), в частности, приемников ГНСС Глонасс (Россия), GPS (США), Галилео (Европейский Союз), Бейдоу (КНР), QZSS (Япония), IRNSS (Индия), SBAS.

Уровень техники

В мире существуют и эксплуатируются две глобальные навигационные спутниковые системы: принадлежащая Соединенным Штатам Америки Global Positioning System (GPS) и российская Глобальная Навигационная Спутниковая Система (ГЛОНАСС).

Ведется также создание Европейской спутниковой навигационной системы Галилео (Galileo), китайской ГНСС Бейдоу (или Компас), японской QZSS, индийской IRNSS.

Кроме того, на национальном уровне рядом стран созданы или создаются унифицированные системы функциональныого дополнения ГНСС, получившие собирательное название SBAS (Space Based Augmentation System).

Сигналы ГНСС, даже излучаемые в общем частотном диапазоне, например, L1, различаются номиналами несущих колебаний радиочастоты. Так ГНСС GPS, Galileo, QZSS, IRNSS, а также SBAS излучают навигационные сигналы в диапазоне L1 на частоте 1575.42 МГц. В отличие от них, ГНСС Бейдоу излучает навигационные сигналы в диапазоне L1 на частоте 1561.098 МГц, а ГНСС ГЛОНАСС - на 14 разных частотах вблизи базового значения 1602.0 МГц. Структуры сигналов всех перечисленных систем схожи, хотя и имеют отличия. По этой причине, способы цифровой обработки сигналов систем при их приеме, как правило, одинаковы или близки.

Таким образом, рассматриваемые известные примеры осуществления приема сигналов, взятые из описаний способов и устройств, используемых в приемниках той или иной системы, распространимы и на остальные известные радионавигационные системы. То же относится и к самому предлагаемому изобретению.

Требование высокой чувствительности предъявляется к приемнику ГНСС, если предполагается прием сигналов в сложных условиях.

К таковым относятся, например, работа в условиях плотной городской застройки, затеняющей прямую видимость в направлении на навигационные спутники (НИСЗ) ГНСС; ослабление сигналов листвой деревьев; работа в помещениях; работа на борту космических аппаратов (КА) на высоких околоземных орбитах, где не всегда возможен прием сигналов ГНСС, излучаемых в пределах основного лепестка диграмм направленности передающих антенн НИСЗ.

Ширина основного лепестка диаграмм направленности передающих бортовых антенн НИСЗ ГНСС рассчитана на обеспечение достаточного уровня сигнала для потребителей на поверхности Земли и в ближнем околоземном пространстве -приблизительно, до высот 3000 км. Потребители НИСЗ-КА на высоких околоземных орбитах, как правило, большую часть времени могут принимать лишь сигналы ГНСС, излучаемые через боковые лепестки антенн их НИСЗ, то есть, сильно ослабленные сигналы.

Удовлетворение требования высокой чувствительности приемника ГНСС, в первую очередь, сводится к организации цифровой обработки слабых сигналов, обеспечивающей их обнаружение и захват за приемлемо малое время. Обнаружение сигналов ГНСС требует организации их многомерного (частота, задержка, номер НИСЗ) поиска. Обнаружение слабых сигналов требует увеличения времени накопления корреляционных интегралов произведений входных отсчетов и вариантов локальных копий обнаруживаемого сигнала. В свою очередь, увеличение времени накопления приводит к сужению частотного диапазона обнаружения при проверке одного варианта локальной копии и, следовательно, к увеличению необходимого числа проверяемых в ходе поиска гипотез о частоте обнаруживаемого сигнала.

Таким образом, ослабление сигнала ГНСС приводит, во-первых, к увеличению времени накопления при обнаружении, что практически исключает применимость последовательных процедур поиска, и, во-вторых, к росту числа проверяемых гипотез. Для слабых сигналов такой многомерный поиск за приемлемо малое время достигается высоким параллелизмом проверки гипотез о его параметрах. Число одновременно проверяемых гипотез, реализуемое в современных высокочувствительных приемниках ГНСС, достигает сотен тысяч и, даже, миллионов. Такая степень параллелелизма сигнальной обработки достигается не лобовым наращиванием числа физических каналов обработки, а повышением скорости поочередной обработки сигналов в малом числе (вплоть до одного) высокопроизводительных корреляторных каналов. То есть, применяется цифровая обработка сигналов в ускоренном времени.

Так, Патент США №7428259, выданный 23 сентября 2008 года, «Эффективная и гибкая цифровая архитектура приемника GPS» раскрывает архитектуру приемника ГНСС GPS, использующую единственный высокопроизводительный коррелятор, поочередно обрабатывающий группы отсчетов сигналов в ускоренном времени, коррелируя их с локальными копиями всех сигналов. Порции входных отсчетов хранятся в буферной сигнальной памяти в течение времени, требуемого для корреляционной обработки всех требуемых НИСЗ GPS. Результаты корреляционной обработки порций сигнальных отсчетов хранятся в специальной памяти накоплений и повторно используются при возобновлении обработки тех же сигналов. Тем самым, реализуется обработка сигналов единственным физическим корреляторным каналом в ускоренном времени так, как будто бы она производилась большим числом виртуальных каналов в реальном времени.

Патент США №7630430, выданный 8 декабря 2009 года, «Метод и устройство для ускорения процесса корреляции сигналов GPS» раскрывает архитектуру приемника ГНСС GPS в части реализации высокой производительности корреляционной обработки. Приемник ГНСС (смотри Фиг. 1) состоит из последовательно соединенных антенны (1), аналогового радиочастотного преобразователя (РЧП) (2), цифрового преобразователя частоты (ЦПЧ) (4), пакетной памяти сигнала (5), блока корреляции (6), представляющего собой группу параллельно соединенных каналов корреляции, и блока частотного анализа (7), а также генератора опорной частоты (3), выход (11) которого соединен с входом опорной частоты радиочастотного преобразователя (2); блока памяти накоплений (8), вход которого соединен с выходом блока корреляции (6); и процессора с блоком памяти и интерфейсными блоками (9), вход/выход которого соединен с входом/выходом блока корреляции (6), блока частотного анализа (7) и блока памяти накоплений (8) цифровой шиной данных (12), второй вход/выход процессора (9) является внешним информационным входом/выходом (10) устройства.

В приемнике ГНСС согласно патенту США №7630430, как и в большинстве массовых приемников ГНСС, в качестве антенны (1) используется малонаправленная, например, микрополосковая антенна. Антенна (1) и РЧП (2) улавливают, усиливают, селектируют (с помощью полосовой фильтрации) сигналы и преобразуют частоту смеси сигналов и шума (внешнего и самих антенны и РЧП) к удобному значению промежуточной частоты (ПЧ), При этом РЧП использует сигнал от стабильного генератора опорной частоты (3). Выходными сигналами РЧП (2) служат преобразованные в цифровую форму выборки смеси сигналов и шума на ПЧ (13). Цифровой преобразователь частоты (4) переносит комплексные цифровые отсчеты (13) сигналов ГНСС на нулевую (приблизительно) частоту, осуществляет фильтрацию сигналов ГНСС, согласованную с шириной спектра модуляции сигналов, что позволяет в дальнейшем использовать минимальное значение частоты дискретизации сигналов, и квантует отфильтрованные сигналы, сохраняя число разрядов представления их отсчетов, предназначенное для хранения в блоке пакетной памяти сигнала (5). Блок пакетной памяти сигнала (5) сохраняет отсчеты (14) сигналов ГНСС в темпе реального времени и воспроизводит их в виде пакетов отсчетов (15) в ускоренном темпе, согласованном с темпом последующей обработки в каналах блока корреляции (6). Блок запоминания сигнала (5) строится, например, как циклический буфер на базе ЗУ с произвольным доступом. Каналы блока корреляции (6) осуществляют корреляционную обработку отсчетов (15) смеси сигналов ГНСС с шумом. Выходными сигналами каналов блока корреляции (6) обычно являются накопленные за известное время корреляционные интегралы (16) смеси сигнала с шумом и ожидаемой копии сигнала. Блок частотной обработки (7) производит дальнейшее накопление статистик корреляционных интегралов смеси сигнала с шумом и ожидаемой копии сигнала, преобразует последовательности накопленных статистик в спектры мощности накоплений, например, с помощью преобразования Фурье, и, в режиме обнаружения сигнала производит сравнение накопленных спектров мощности накоплений с порогом обнаружения. Накапливаемые статистики во временной и частотной областях сохраняются в блоке памяти накоплений (8).

Высокая производительность корреляционной обработки в приемнике ГНСС согласно патенту США №7630430 достигается сочетанием цифровой корреляционной обработки в режиме быстрее реального времени пакетов отсчетов сигнала за один такт обработки, распараллеливанием цифровой корреляционной обработки на несколько каналов блока корреляции (6), и использованием переноса последовательностей корреляционных накоплений в частотную область в блоке частотного анализа (7). Оценим достижимую производительность корреляционной обработки приемником ГНСС (смотри Фиг. 1) на следующем примере. Пусть частота дискретизации отсчетов (14) сигналов ГНСС GPS на выходе цифрового преобразователя частоты (4) и, соответственно, частота записи этих отсчетов в составляет 2.048 МГц, а частота считывания пакетов отсчетов (15) из пакетной памяти сигнала (5) и, соответственно, тактовая частота работы блока корреляции (6) составляет 100 МГц. Пусть число параллельных каналов в блоке корреляции (6) равно (12). Пусть размер пакета отсчетов (15) равен 64, и пусть размерность преобразования Фурье в блоке частотной обработки (7), также, равна 64. Тогда, по сравнению с обработкой в режиме реального времени отдельных отсчетов единственным каналом корреляции, коэффициент ускорения цифровой обработки приемником ГНСС (смотри Фиг. 1) можно оценить, как

A=F*P*N*C,

где F - отношение частот записи и считывания пакетной памяти сигнала (5);

Р - размерность пакета отсчетов (15) пакетной памяти сигнала (5);

N - число параллельных каналов в блоке корреляции (6);

С - размерность преобразования Фурье в блоке частотной обработки (7).

При численных значениях коэффициентов приведенных выше для данного примера ускорение цифровой обработки А=2400000. На практике, такое максимальное ускорение недостижимо, поскольку существуют накладные расходы времени на программное управление блоком корреляции (6) со стороны процессора (9). Тем не менее, приведенный пример показывает каким образом достигается высокая производительность цифровой обработки для организации квази-параллельной проверки миллионов гипотез о параметрах обнаруживаемых сигналов ГНСС, что необходимо для обеспечения высокой чувствительности приемника ГНСС, проявляющейся в способности захвата слабых сигналов ГНСС за приемлемое время.

Достигаемая высокая чувствительность приемника ГНСС требует усложнения оборудования: в приемнике используется пакетная память сигнала (5); в блоке корреляции (6) для обработки за один такт пакета отсчетов требуется генератор кода, генерирующий на каждом такте обработки пакет из Р отсчетов копии сигнала; в блоке корреляции (6) для обработки за один такт пакета отсчетов требуется генерация фазы несущей частоты копии сигнала, соответствующей предполагаемому отклонению номинала частоты несущей входного сигнала. В ГНСС GPS все сигналы НИСЗ, излучаемые, например, в диапазоне L1, имеют общее значение номинальной частоты несущей 1575.42 МГц; величина доплеровского сдвига частоты несущей для приземного потребителя ГНСС GPS в диапазоне L1 составляет порядка 5.5 кГц. Если с учетом нестабильности генератора опорной частоты (3) принять общий диапазон неопределенности частоты несущей, равным ±8 кГц, то для приведенного выше числового примера с длиной пакета Р=64 изменение фазы несущей на длине пакета достигает около ±90°. Для удовлетворительной точности генерации фазы несущей опорной копии сигнала достаточно, например, восьми значений фазы на длине пакета, что может быть реализовано сравнительно простой линейной интерполяцией единственного значения фазы.

В российской ГНСС ГЛОНАСС используется частотное разделение сигналов НИСЗ. Значения частоты несущих колебаний сигналов отличаются на величины, кратные 0.5625 МГц: F=(1602+k*0.5625) МГц, где k=(-7, … +6). Недостатком приемника ГНСС согласно патенту США No 7630430 является то, что для приема сигналов ГНСС ГЛОНАСС с частотным разделением для приведенного выше числового примера с длиной пакета Р=64 изменение фазы несущей на длине пакета достигает 45000°, то есть, для каждого отсчета копии сигнала требуется генерировать свое значение фазы несущей, что дополнительно усложняет генератор несущей в блоке корреляции (6).

Другим направлением в повышении чувствительности приемников ГНСС является использование фазированных антенных решеток (ФАР) для повышения мощности - принимаемых сигналов за счет пространственной селекции. Архитектура такого высокочувствительного приемника раскрывается, например, в патенте США №6828935, выданном 7 декабря 2004 года, «Синтезируемая цифровая фазированная антенна с мультилучевым диаграммообразованием для глобального позиционирования». Используются несколько антенн, подключенных к нескольким радиочастотным преобразователям и последующим трактам цифровой обработки сигналов ГНСС, выходы которых объединяются (фазируются в соответствии с расположением антенн относительно направления на НИСЗ, и суммируются) и используются для дальнейшей цифровой обработки. Фазовые соотношения и весовые коэффициенты при суммировании парциальных сигналов от отдельных антенн определяют эффективную диаграмму направленности результирующей фазированной антенной решетки. Диаграммообразование антенных лучей ФАР производится в ходе цифровой обработки. В приемнике в каждом из каналов обработки используется классическая (простая) цифровая обработка, обеспечивающая стандартный уровень чувствительности канала приемника ГНСС. Выигрыш в чувствительности достигается за счет когерентного суммирования сигналов от разных антенн, шумы приемных систем, носящие случайный характер, суммируются при этом некогерентно. Мощность полезного сигнала увеличивается в М² раз, где М - число антенн, а мощность шума в М раз. В результате, отношение сигнал/шум увеличивается в М раз. Недостатком приемника ГНСС согласно патенту США No 6828935 является рост объема оборудования для цифровой обработки сигналов, в первом приближении, пропорционально числу антенн.

В ряде применений приемников ГНСС требуется достижение сверхвысокой чувствительности. Примером может служить использование сигналов ГНСС для определения траекторий космических аппаратов выше орбит ГНСС, где маловероятен прием сигналов, излучаемых через основные лепестки диаграмм направленности антенн их НИСЗ. Например, на геостационарной орбите, высоких эллиптических орбитах и, особенно, в окололунном пространстве. Возникает естественное желание совместить преимущества многоантенного приемника ГНСС согласно патенту США №6828935 и высокочувствительной архитектуры согласно патенту США №7630430. Однако, попытка такого совмещения приводит к увеличению в М раз сравнительно объемного оборудования согласно патенту США No 7630430, что неприемлемо для значительного числа практических применений

Сущность изобретения

Задачей, решаемой заявленным изобретением, является создание архитектуры высокочувствительного мультисистемного приемника ГНСС, совмещающего достоинства, с одной стороны, цифровой обработки сигналов единственным высокопроизводительным коррелятором и, с другой стороны, многоантенной системы, образующей фазированную антенную решетку с диаграммообразованием в ходе цифровой обработки сигналов. При этом, такое совмещение не должно приводить к увеличению объема оборудования, приближающемуся к пропорциональному числу элементов антенной системы.

Еще одной задачей настоящего изобретения является создание компактной архитектуры высокочувствительного мультисистемного приемника ГНСС, осуществляющего обработку сигналов единственным физическим корреляторным каналом в ускоренном времени, включая ГНСС с частотным разделением сигналов, примером которой служит ГНСС ГЛОНАСС

Технический результат заявленного изобретения заключается в достижении повышенной чувствительности, точности и помехозащищенности мультисистемного приемника ГНСС, включая ГНСС с частотным разделением сигналов, например, ГЛОНАСС.

Технический результат заявленного изобретения достигается за счет того, что цифровая обработка сигналов, включая снятие расстройки частотного разделения, осуществляется в ускоренном времени, а также за счет повышения отношения мощности сигналов по отношению к мощности шума и/или помех вследствие цифрового формирования луча диаграммы направленности фазированной антенной решетки.

Технический результат заявленного изобретения достигается за счет того, что приемник сигналов глобальных навигационных спутниковых систем состоит из последовательно соединенных антенного блока, блока уплотнения сигналов, аналогового радиочастотного преобразователя, цифрового преобразователя частоты (ЦПЧ), пакетной памяти сигнала, пакетного тьюнера, блока корреляции и блока частотного анализа, а также генератора опорной частоты, выход которого соединен со входом опорной частоты радиочастотного преобразователя; блока памяти накоплений, вход которого соединен с выходом блока корреляции и входом и выходом блока частотного анализа; процессора с блоком памяти и интерфейсными блоками, вход/выход которого соединен с входом/выходом блока корреляции, блока частотного анализа и блока памяти накоплений цифровой шиной данных; второй вход блока корреляции соединен со вторым выходом пакетной памяти сигналов через генератор кодов разуплотнения; третий выход пакетной памяти сигналов соединен со вторым входом блока уплотнения сигналов; второй вход/выход процессора является внешним информационным входом/выходом приемника.

В частном случае реализации заявленного технического решения антенный блок и аналоговый радиочастотный преобразователь выполнены с возможностью улавливания, усиления и селекции с помощью полосовой фильтрации сигналов и преобразования частоты смеси сигналов и шума к удобному значению промежуточной частоты.

В частном случае реализации заявленного технического решения антенный блок состоит из N антенных элементов с малошумящими усилителями на выходе, при этом выходные сигналы антенных элементов поступают на входы блока уплотнения сигналов.

В частном случае реализации заявленного технического решения в блоке уплотнения сигналов сигналы от антенных элементов подвергаются фазовой манипуляции кодами уплотнения.

В частном случае реализации заявленного технического решения генератор ортогональных кодов выполнен с возможностью формирования ансамбля взаимно ортогональных кодовых последовательностей, предпочтительно, кодов Уолша.

В частном случае реализации заявленного технического решения аналоговый радиочастотный преобразователь выполнен с возможностью использования сигнала от стабильного генератора опорной частоты, при этом выходными сигналами аналогового радиочастотного преобразователя являются преобразованные в цифровую форму выборки смеси сигналов и шума на промежуточной частоте.

В частном случае реализации заявленного технического решения цифровой преобразователь частоты выполнен с возможностью разделения сигналов глобальных навигационных спутниковых систем, передаваемых в разных частотных поддиапазонах и переноса комплексных цифровых отсчетов сигналов глобальных навигационных спутниковых систем на нулевую частоту, при этом цифровой преобразователь частоты выполнен с возможностью осуществления фильтрации сигналов глобальных навигационных спутниковых систем, согласованную с шириной спектра модуляции сигналов, и квантования отфильтрованных сигналов, сохраняя число разрядов представления их отсчетов, предназначенное для хранения в пакетной памяти сигналов, которая выполнена с возможностью сохранения отсчетов сигналов глобальных навигационных спутниковых систем - раздельно для каждого из частотных поддиапазонов - в темпе реального времени и воспроизведения их в виде пакетов отсчетов в ускоренном темпе, согласованном с темпом последующей обработки в блоке корреляции.

В частном случае реализации заявленного технического решения пакетная память сигналов для каждого из частотных поддиапазонов выполнена в виде циклических буферов на базе запоминающего устройства с произвольным доступом, при этом блок корреляции выполнен с возможностью корреляционной обработки отсчетов смеси всех сигналов глобальных навигационных спутниковых систем с шумом в каждом из частотных поддиапазонов.

В частном случае реализации заявленного технического решения выходным сигналом блока корреляции являются накопленные за известное время корреляционные интегралы смеси сигнала с шумом и ожидаемой копии сигнала, при этом блок частотной обработки выполнен с возможностью накопления статистик корреляционных интегралов смеси сигнала с шумом и ожидаемой копии сигнала, преобразует последовательности накопленных статистик в спектры мощности накоплений, и, в режиме обнаружения сигнала сравнения накопленных спектров мощности накоплений с порогом обнаружения при этом накапливаемые статистики во временной и частотной областях сохраняются в блоке памяти накоплений, а блок корреляции выполнен с возможностью поочередной обработки группы отсчетов сигналов в ускоренном времени, коррелируя их с локальными копиями всех сигналов, при этом пакетная память выполнена с возможностью хранения порции входных отсчетов сигналов в течение времени, требуемого для корреляционной обработки всех требуемых навигационных спутников нескольких глобальных навигационных спутниковых систем, при этом результаты корреляционной обработки порций сигнальных отсчетов хранятся в памяти накоплений и повторно используются при возобновлении обработки тех же сигналов.

В частном случае реализации заявленного технического решения управление всеми цифровыми блоками приемника и цифровая обработка накоплений, запомненных в блоке памяти накоплений, а также внешний информационный обмен производятся процессором с блоком памяти и интерфейсными блоками.

В частном случае реализации заявленного технического решения пакетная память выполнена с возможностью сохранения сигналов с частотой дискретизации равной 9 МГц, что соответствует 16-кратной величине разноса частот сигналов ГНСС ГЛОНАСС, а пакетный тьюнер выполнен с возможностью поворота фаз последовательных комплексных отсчетов сигнального пакета на величины, кратные 1/16 фазового цикла.

В частном случае реализации заявленного технического решения пакетная память выполнена с возможностью сохранения сигналов с частотой дискретизации равной 4.5 МГц, что соответствует 8-кратной величине разноса частот сигналов ГНСС ГЛОНАСС, а пакетный тьюнер выполнен с возможностью поворота фаз последовательных комплексных отсчетов сигнального пакета на величины, кратные 1/8 фазового цикла.

В частном случае реализации заявленного технического решения блок частотного анализа включает в себя последовательно соединенные комплексный умножитель, сумматор накоплений, буферный регистр накоплений, блок быстрого преобразования Фурье, блок накопления мощностей и пороговое устройство, при этом второй вход сумматора накоплений соединен с выходом буферного регистра накоплений, и, после заполнения буферного регистра накоплений последовательностью накоплений от первого из плеч блока корреляции, соответствующей первому антенному элементу блока антенного, на комплексный умножитель подается величина угла предвычисленной в процессоре разности фаз между первым и вторым антенными элементами блока антенного; вторая последовательность накоплений от второго из плеч блока корреляции довернутая в комплексном умножителе на величину разности фаз суммируется с первой последовательностью в сумматоре накоплений и вновь помещается в буферный регистр накоплений; цикл доворота фаз и суммирования повторяется для всех последовательностей накоплений от всех плеч блока корреляции, после чего запускается обработка суммарной последовательности блоками быстрого преобразования Фурье, накопления мощностей и пороговым устройством.

Краткое описание чертежей

Детали, признаки, а также преимущества настоящего изобретения следуют из нижеследующего описания вариантов реализации заявленного технического решения с использованием чертежей, на которых показано:

Фиг. 1 - представлена блок-схема примера реализации высокочувствительного приемника ГНСС, характеризующего предшествующий уровень техники.

Фиг. 2 - представлена блок-схема высокочувствительного мультисистемного приемника ГНСС, реализованная в соответствии с предлагаемым изобретением.

Фиг. 3 - представлена функциональная схема реализации антенного блока и блока уплотнения сигналов согласно предлагаемому изобретению.

Фиг. 4 - представлена функциональная схема реализации цифрового преобразователя частоты согласно предлагаемому изобретению.

Фиг. 5 - иллюстрируется принцип поворота фазы квантованных на четыре уровня отсчетов сигнала, представляемого координатами квадратурных I и Q точек на условной фазовой плоскости.

Фиг. 6 - представлена функциональная схема реализации пакетного тюнера частотного разделения сигналов согласно предлагаемому изобретению.

Фиг. 7 - представлена функциональная схема примера реализации 8-отсчетного блока поворота фазы для пакетного тюнера согласно предлагаемому изобретению.

Фиг. 8 - представлена функциональная схема реализации блока корреляции согласно предлагаемому изобретению.

Фиг. 9 - представлена функциональная схема реализации генератора кода согласно предлагаемому изобретению

Фиг. 10 - представлена функциональная схема реализации блока частотного анализа согласно предлагаемому изобретению.

На фигурах обозначены следующие позиции:

1 - антенные элементы; 2 - радиочастотный преобразователь; 3 - генератор опорной частоты; 4 - цифровой преобразователь частоты; 5 - пакетная память сигнала; 6 - блок корреляции; 7 - блок частотного анализа; 8 - блок памяти накоплений; 9 - процессор с блоком памяти и интерфейсными блоками; 10 - интерфейс данных; 11 - «выход генератора опорной частоты»»; 12 - цифровая шина данных; 13 - цифровые отсчеты сигналов; 14 - отсчеты; 15 - пакет отсчетов; 16 - выход блока корреляции; 21 - антенный блок,22 - радиочастотный преобразователь (РЧП); 23 - блок уплотнения сигналов; 24 - цифровой преобразователь частоты (ЦПЧ); 25 - пакетная память сигналов; 26 - блок корреляции; 27 - генератор кодов разуплотнения; 28 - пакетный тюнер; 29 - выходные сигналы антенных элементов; 30 - «выход блока уплотнения сигналов»»; 31 - «преобразованные в цифровую форму выборки смеси сигналов и шума на ПЧ»; 32 - «отфильтрованные сигналы на нулевой частоте»; 33 - пакеты отсчетов; 34 - довернутые по фазе пакеты отсчетов; 35 - второй вход блока уплотнения сигналов; 36 - коды разуплотнения; 37 - второй выход пакетной памяти сигналов; 38 - блок частотного анализа; 39 - фазовращатели; 40 - СВЧ коммутаторы; 41 - генератор ортогональных кодов; 42 - СВЧ сумматор; 43 - цифровые смесители; 44 - генераторами ПЧ; 45 - конечная импульсная характеристика (КИХ); 46 - блоки ресамплер; 47 - квантователь; 49 - блок частотного анализа; 50 - набор управляющих констант; 51 - фаза; 52 - управляющая константа; 53 - блок; 54 - блок; 55 - блок; 56 - дополнительный двоичный код; 60 - смеситель кода; 62 - смеситель несущей плеч; 63 - квадратурный накопитель; 64 - демодулятор; 65 - генератора кода; 66 - генератор частоты кода; 67 - генератора несущей; 68 - выходы генератора кода 65; 69 - Целосимвольное значение фазы (69) кода;; 70 - Дробное значение фазы (70) символа кода; 71 - генератор пакета кодовых символов; 72 - мультиплексор отсчетов кода; 73 - пакеты отсчетов кода; 75 -комплексный умножитель; 76 - сумматор накоплений; 77 - буферный регистр накоплений; 78 - блок БПФ; 79 - блок накопления мощностей; 80 - пороговое устройство.

Раскрытие изобретения

Сущность изобретения заключается в том, что приемник ГНСС состоит из последовательно соединенных антенного блока, блока уплотнения сигналов, аналогового радиочастотного преобразователя (РЧП), цифрового преобразователя частоты (ЦПЧ), пакетной памяти сигнала, пакетного тьюнера, блока корреляции и блока частотного анализа, а также генератора опорной частоты, выход которого соединен со входом опорной частоты радиочастотного преобразователя; блока памяти накоплений, вход которого соединен с выходом блока корреляции и входом и выходом блока частотного анализа; процессора с блоком памяти и интерфейсными блоками, вход/выход которого соединен с входом/выходом блока корреляции, блока частотного анализа и блока памяти накоплений цифровой шиной данных; второй вход блока корреляции соединен со вторым выходом пакетной памяти сигналов через генератор кодов разуплотнения; третий выход пакетной памяти сигналов соединен со вторым входом блока уплотнения сигналов; второй вход/выход процессора является внешним информационным входом/выходом приемника.

Антенный блок и РЧП улавливают, усиливают, селектируют (с помощью полосовой фильтрации) сигналы и преобразуют частоту смеси сигналов и шума к удобному значению промежуточной частоты (ПЧ). При этом РЧП использует сигнал от стабильного генератора опорной частоты. Выходными сигналами РЧП служат преобразованные в цифровую форму выборки смеси сигналов и шума на ПЧ.

Цифровой преобразователь частоты разделяет сигналы ГНСС, передаваемые в разных частотных поддиапазонах (например, в диапазоне L1: GPS, Galileo, QZSS, IRNSS, а также SBAS - на частоте 1575.42 МГц; Бейдоу - на частоте 1561.098 МГц; ГЛОНАСС -на частотах от 1598.0625 до 1605.375 МГц) и переносит комплексные цифровые отсчеты сигналов ГНСС на нулевую (приблизительно) частоту, осуществляет фильтрацию сигналов ГНСС, согласованную с шириной спектра модуляции сигналов, что позволяет в дальнейшем использовать минимальное значение частоты дискретизации сигналов, и квантует отфильтрованные сигналы, сохраняя число разрядов представления их отсчетов, предназначенное для хранения в пакетной памяти сигналов, которая сохраняет отсчеты сигналов ГНСС - раздельно для каждого из частотных поддиапазонов - в темпе реального времени и воспроизводит их в виде пакетов отсчетов в ускоренном темпе, согласованном с темпом последующей обработки в блоке корреляции. Пакетная память сигналов строится, например, в виде циклических буферов (для каждого из частотных поддиапазонов) на базе запоминающего устройства с произвольным доступом. Блок корреляции осуществляет корреляционную обработку отсчетов смеси сигналов ГНСС с шумом.

Выходным сигналом блока корреляции являются накопленные за известное время корреляционные интегралы смеси сигнала с шумом и ожидаемой копии сигнала. Блок частотной обработки производит дальнейшее накопление статистик корреляционных интегралов смеси сигнала с шумом и ожидаемой копии сигнала, преобразует последовательности накопленных статистик в спектры мощности накоплений, например, с помощью преобразования Фурье, и, в режиме обнаружения сигнала производит сравнение накопленных спектров мощности накоплений с порогом обнаружения. Накапливаемые статистики во временной и частотной областях сохраняются в блоке памяти накоплений. Блок корреляции поочередно обрабатывает группы отсчетов сигналов в ускоренном времени, коррелируя их с локальными копиями всех сигналов. Порции входных отсчетов хранятся в пакетной памяти сигналов в течение времени, требуемого для корреляционной обработки всех требуемых НИСЗ нескольких ГНСС. Результаты корреляционной обработки порций сигнальных отсчетов хранятся в специальной памяти накоплений и повторно используются при возобновлении обработки тех же сигналов. Тем самым, реализуется обработка сигналов блоком корреляции в ускоренном времени так, как будто бы она производилась большим числом виртуальных каналов в реальном времени. Управление всеми цифровыми блоками приемника и цифровая обработка накоплений, запомненных в блоке памяти накоплений, а также внешний информационный обмен производятся процессором с блоком памяти и интерфейсными блоками.

Новизна предлагаемого технического решения заключается в том, что на выходе антенного блока (21), содержащего пространственно разнесенные антенные элементы (1), выходные сигналы элементов подвергаются уплотнению в блоке уплотнения сигналов, то есть, модулируются взаимно ортогональными кодовыми последовательностями и суммируются. Суммарный сигнал усиливается, селектируется, оцифровывается, преобразуется и хранится в виде пакетов отсчетов, проходя через единый тракт, состоящий из радиочастотного преобразователя, цифрового преобразователя сигналов, пакетной памяти сигналов и пакетного тюнера. При этом число линеек тракта блоков цифрового преобразователя сигналов и пакетной памяти сигналов равно числу частотных поддиапазонов мультисистемной ГНСС. Единственность тракта обработки уплотненных сигналов антенных элементов обеспечивает экономию оборудования для построения приемника ГНСС. Пакеты отсчетов сигналов с выхода пакетного тюнера в блоке корреляции проходят демодуляцию кодовыми последовательностями, поступающими из генератора кодов разуплотнения, соответствующими использованным в блоке уплотнения сигналов для того или иного антенного элемента, чтобы в текущем цикле цифровой обработки сигнала выбирать в качестве входных пакеты отсчетов сигнала с требуемых антенных элементов. Работа блока уплотнения сигналов синхронизирована с темпом записи пакетов сигнальных отсчетов в пакетную память сигналов, а работа генератора кодов разуплотнения синхронизирована с темпом чтения пакетов сигнальных отсчетов из пакетной памяти сигналов.

Другая составляющая новизны предлагаемого технического решения заключается в том, что между первым выходом пакетной памяти сигналов и входом блока корреляции включен цифровой пакетный тюнер, преобразующий частоты несущих колебаний сигналов ГЛОНАСС к близким к нулю значениям. Предложенный специальный выбор частоты дискретизации квантованных сигналов ГЛОНАСС обеспечивает простую цифровую реализацию пакетного тюнера и сохраняет простое построение блока корреляции при пакетной цифровой обработке сигналов ГНСС ГЛОНАСС с частотным разделением сигналов.

Предлагаемый высокочувствительный приемник сигналов ГНСС в предпочтительной реализации включает в себя (фиг. 2) последовательно соединенные антенный блок (21), блок уплотнения сигналов (23), радиочастотный преобразователь (РЧП) (22), цифровой преобразователь частоты (ЦПЧ) (24), пакетная память сигналов (25), пакетный тюнер (28), блок корреляции (26) и блок частотного анализа (38), а также генератор опорной частоты (3), выход (11) которого соединен со входом опорной частоты радиочастотного преобразователя (22); блок памяти накоплений (8), вход которого соединен с выходом (16) блока корреляции (26) и входом и выходом блока частотного анализа (38); процессор с блоком памяти и интерфейсными блоками (9), вход/выход которого соединен с входом/выходом блока корреляции (26), блока частотного анализа (38) и блока памяти накоплений (8) цифровой шиной данных (12); второй вход блока корреляции (36) соединен со вторым выходом (37) пакетной памяти сигналов (25) через генератор кодов разуплотнения (27); второй вход (35) блока уплотнения сигналов (23) соединен с третьим выходом пакетной памяти сигналов (25), а второй вход/выход процессора (9) является внешним информационным входом/выходом (10) приемника.

Антенный блок (21) в предпочтительном варианте реализации (смотри фиг. 3) состоит из N антенных элементов (1), предпочтительно, имеющих на выходе малошумящие усилители. Выходные сигналы (29) антенных элементов поступают на входы блока уплотнения сигналов (23), предпочтительный вариант построения которого, также, представлен на ф