NO161020B - Differensial doppler-mottaker. - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører generelt elektroniske navigasjonssystemer og nærmere bestemt en Doppler-mottaker av den art som er angitt i den innledende del av patentkrav 1.

Ulike elektroniske navigasjonssystemer er godt kjent innen-for teknikken. Loran-systerner har eksempelvis funnet bred annerkjennelse og har vist deg å være et verdifullt hjelpemiddel for navigasjon. I den senere tid er det blitt foreslått et globalt posisjoneringssystem (GPS) hvor en konstellasjon av satelitter ville bli plassert i bane rundt jorden. Hver satelitt sender data som moduleres ved hjelp av pseudo-tilfeldig støykode (PRN) som er spe-siell for vedkommende satelitt, hvilket således medfører en spredt spektrumtransmisjon som kan identifiseres og behandles av brukeren for å bestemme denne posisjon. Et slikt system er eksempelvis beskrevet i europeisk patent nr. 0.079.689.

Mottakeren ifølge foreliggende oppfinnelse beholder for-delene ved tidligere GPS mottakere, men gir evnen til å foreta meget nøyaktige frekvensmålinger uten å kreve en meget nøyaktig lokal oscillator.

US patentskrift 3.141.167 omhandler et navigasjonssystem hvor en eneste antenne mottar informasjon fra to uavheng-ige kilder og benytter to kanaler for å behandle denne informasjon, idet kanalkretsen avviker betydelig fra den iføl-ge den foreliggende oppfinnelse. De to kanaler i henhold til den kjente teknikk benytter seg ikke av faselåste sløyf-er, og der utføres ikke noen demodulasjon på de mottatte signaler. Uten slik demodulasjon vil mottagningen av bi-fase-signaler, f.eks. dem som blir mottatt av apparatet i henhold til den foreliggende oppfinnelse, kunne gi opphav til ytterligere Doppler-forskyvninger under faseovergang-ene for de mottatte signaler. Disse ytterligere Doppler-frekvenser, selv om de er transiente, kunne fremskaffe problemer i et fullstendig elektronisk system. Ved system-et i henhold til US patentskrift 3.141.167 blir imidlertid det ekstraherte Doppler-signal mekanisk nedtegnet, og den lange tidskonstant som er involvert ved slike nedtegninger, vil ikke kunne reagere på de raske endringer som forekom-mer under overgangsintervallene.

Fra US patentskrift 3.704.465 er der kjent et vinklet spor-følgesystem, og ikke et navigasjonssystem, hvor det rele-vante tekniske innhold ikke direkte kan sammenlignes med den foreliggende oppfinnelse. Sporfølgesystemet i henhold til dette patentskrift innbefatter en differensial-Doppler mottager med to faselåste kanaler, og denne del

av den tekniske stilling er angitt i den innledende del av det vedføyde patentkrav 1.

Den foreliggende oppfinnelse er definert i de etterfølgende patentkrav. Herav fremgår det at en mottaker for bruk i et elektronisk navigasjonssystem vil nøyaktig måle Doppler-frekvensen hos et radiosignal fra en sender som beveger seg relativt mottakeren ved å anvende en annen sender som har en stabil og nøyaktig kjent frekvens som en referanse. Signalene fra de to kilder behandles i en diffe-rensialmodus for derved å eliminere behovet for en sær-' deles nøyaktig tidsklokke i mottakeren.

En differensial Doppler-mottaker ifølge oppfinnelsen

skal nå beskrives i nærmere detalj, i eksempels form,

med henvisning til den vedlagte tegning som viser et blokkskjerna over mottakeren.

Den vedlagte tegning illustrerer en på det nåværende tidspunkt foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen beregnet for bruk i et globalt posisjoneringssystem. To- høyfre-kvente spredte spektrumsignaler som kommer fra sendere ombord i valgte satellitter mottas av en antenne 1. De mottatte signaler forsterkes i en HF forsterker 3 og føres til en blander 5, hvor de overlagres med et første lokal-scillator-signal fra en referanse-oscillator og syntetisa-tor 7 som skal nærmere beskrives. Det resulterende første MF signal fra blanderen 5 forsterkes i en bredbåndsforsterker 9 og føres til kjente typer av korrelatorer 11 og 13 i mottakerens referanse-og Doppler-differansekanaler.

Man vil forstå at det signal som sendes fra hver satellitt moduleres med et PRN kodesignal som er spesielt for den satellitten. Ifølge kjente teknikker blir lokalt genererte PRN kodesignaler som tilsvarer de som genereres i senderne

i de angjeldende satellitter ført til de respektive korrelatorer 11, 13 som tjener som "despredningsmodulatorer", som diskret ekstraherer den ønskete informasjon fra MF signalet.

Måten ved hvilken de individuelle spredte spektrumsignaler genereres og demoduleres er beskrevet i bok av R.C. Dixon med tittel "Spread Spectrum Systems",utgitt av John Wiley et Sons i 1976.

Som forklart i nevnte bok vil en typisk sender omfatte en bærebølgekilde som genererer en sinusformet HF bærebølge som moduleres med en binær informasjonskodestrøm ved hjelp av en PRN generator som aktiverer en balansert modulator. Den resulterende modulerte bærebølge består av en sinusformet bølge hvis fase snus 180° når det binære nivå for den modulerende bølge omsnus. I mottakeren tilveiebringer en PRN generator en kodestrøm som er en tro kopi av den binære kodestrømmen som genererte i senderen. Den lokalt genererte kodestrøm påtrykkes en korrelator for således å gjenvinne HF bærebølgen fra den mottatte bølge.

Det referansesignal i mottakeren som er vist på tegningen, slik den i øyeblikket er foretrukket, anvender de prin-sipper for oppfinnelsen som er beskrevet i det tidligere nevnte europeiske patent nr. 0,079,689.

Det despredte signal fra korrelatoren 11 føres til en faselåst sløyfe som omfatter en smalbånds første MF forsterker 15 gjennom hvilken signalet føres til en andre blander 17 som overlagrer det despredte signalet med et andre lokal-oscillator-signal som fås fra referanse-oscillatoren og syntetisatoren 7. Vanligvis justeres referanse-oscillatoren 7 til å gi et MF utgangssignal fra blanderen 17 som har en frekvens av 1kHz. Dette MF signal føres gjennom en smalbånds MF forsterker 19. Utgangssignalet fra forsterkeren 19 er hovedsakelig en 1kHz gjengivelse av bære-bølgesignalet fra hvilket PRN modulasjonen er blitt fjer-net ved hjelp av korrelatoren og sidebåndene, støy og in-terferens er blitt dempet av de smale båndpass-karakteri-stikkene hos forsterkerne 15 og 19.

Signalet fra forsterkeren 19 føres til en tofase-detektor 21 sammen med et signal fra en tids-oscillator og deler 2 3 som har samme nominelle frekvens som signalet fra forsterkeren 19 (1kHz under de antatte betingelser).

Tofase-dektektoren 21 er fortrinnsvis av den type som er beskrevet i europeisk patent nr. 0,072.848. Denne dektek-tortype omfatter en D-type vippe og to eksklusive-ELLER por-ter for å frembringe en fasestyringsspenning som låser 1kHz referansesignalet fra tidsoscillatoren og deler 23 til mottakerens utgangssignal fra forsterkeren 19. Tofase-de-tektoren sammenligner effektivt fasene i mottakerens utgangssignal og referansesignalet og frembringer en utmatning som føres gjennom en likestrømsforsterker 25 og et faselåst sløyfefilter 27 til referanse-oscillatoren og syntetisatoren 7.

Som forklart i europeisk patent nr. 0,079.689, omfatter referanse-oscillatoren i enheten 7 en spenningsstyrt oscillator som anvender utgangssignalet fra filteret 27 som et automatisk frekvenskontrollsignal.

Utmatningen fra den spenningskontrollerte oscillator føres til frekvensmultipliserende midler for derved å tilveiebringe et første signal som er egnet for bruk som et lokal-oscillatorsignal for blanderen 5, og et andre signal som er egnet til bruk som et lokal-oscillatorsignal i den andre blander 17. Disse lokal-oscillatorsignaler føres til nevnte første og andre blandere via henh. linjene 27a og 29.

Videre, ifølge den detaljerte lære i det samme europeiske patent, omfatter referanse-oscillatoren og syntetisatorenheten 7 en regulær kodegenerator som er programmert til å mate passende PRN kodesignaler til korrelatorene 11 og 13. Enheten kan eksempelvis inneholde regulære mikrobehand-lingsmidler som er programmert til å justere en faseskifter for derved å oppnå og opprettholde tidskorrelasjon mellom den lokalt genererte PRN kode og den mottatte kode.

Doppler-differansekanalen inneholder en faselåst sløyfe som er tilsvarende den i referansekanalen. De forskjellige elementer i referansekanalen er blitt betegnet i tegningen med markører som tilsvarer de grunnleggende tall som er anvendt til å identifisere de samme elementer i referansekanalen.

Doppler-kanalens oscillator 7' avviker fra sin motpart 7 i referansekanalen ved at den ikke inneholder syntetise-ringsmidler og tilveiebringer kun et andre lokal-oscillatorsignal. Kodegenereringsmidlet i referanse-oscillatoren og syntetisatorenheten 7 tilveiebringer på passende måte både PRN#1 og PRN#2 kodesignaler. Dessuten, ettersom blanderen 5 behandler begge innkommende signaler betjener det første lokal-oscillatorsignalet fra enheten 7 både referansekanalen og Doppler-differansekanalen.

De nevnte andre lokal-oscillatorsignalene fra referanse-og Doppler-kanalene mates også til en blander 31 via linjene 29 og 29'. Blanderen tjener til å ekstrahere diffe-ransene i frekvens mellom disse to signaler og kobler dif-feransefrekvensen til en egnet frekvensmålingskrets. En hvilken som helst av et stort utvalg av frekvensmålings-kretser kan anvendes for dette formål, men, slik det vil bli forklart, er det vanligvis passende å sammenligne dif-feransefrekvensene med et signal fra tids-oscillatoren og deler 2 3 for dermed å ivareta det store område av frekvens-differanser som kan opptre, og å gjengi det faktum at det ene eller det andre av de to signaler som føres til blanderen 31 kan representere den høyeste av de to frekvenser.

Som et hjelpemiddel for å forstå oppfinnelsen, kan man be-trakte en typisk anvendelse av mottakeren hvor signaler fra fjerntliggende kilder som har bærebølgefrekvenser av 1575,42 MHz skal mottas. Hver av disse utsendte signaler vil være modulert med sin spesielle PRN kode, og frekvensen fra signalene som mottatt vil bli modifisert ved Doppler-skift avhengig av den relative bevegelse mellom senderne og mottakeren.

For denne anvendelse kan lokal-oscillatorer i referanse-og Doppler-differansekanalene gi en felles GPS basisfre-kvens ("F") av 10,23 MHz i den faselåste tilstand. For å lette forklaringen, kan de mottatte signaler under de antatte betingelser betegnes til å ha frekvenser av henh. 154F + D1 og 154F + D2, hvor "D" representerer de individuelle Doppler-skift.

Referanse- og Doppler-kanaloscillatorene inneholder dessuten multipliseringsmidler for å tilveiebringe egnete lokal-oscillatorsignaler til de nevnte første og andre blandere 5 og 17. For de betraktete betingelser, multipliseres lokal-oscillatorens utmatning i referansekanalen med en faktor av 14 7 for å tilveiebringe en frekvens lik 1503,81 MHz til den første blander 5. Lokal-oscillatorens utmatning i begge kanaler multipliseres også med en faktor av 7 for å tilveiebringe signaler lik 71,61 MHz til de andre blandere 17 og 17' i hver kanal.

Referansekanalen faselåses til 1kHz lokal-referansesignalet og frembringer et første lokal-oscillatorsignal som har en frekvens lik:

147F + 147 x D, - 147 x 1kHz eller

154 1 154

7F + 1/22 x Dx - 21/22 x 1kHz (1)

Dette lokal-oscillatorsignal subtraheres fra det mottatte HF signalet i den første blander som frembringer et første MF signal lik: 7F + 1/22 x D1 - 1/22 x 1kHz (2)

Den andre lokal-oscillatorfrekvens. er nøyaktig 1/21

av den for den første lokal-oscillator, eller:

7F + 1/22 x D1 - 1/22 x 1kHz (3)

Det andre lokal-oscillatorsignal (3) subtraheres fra det første MF signal i den andre blander 17 og frembringer en andre MF med frekvens . nøyaktig lik 1kHz ettersom det er faselåst til 1kHz tidsreferansen.

Doppler-differansekanalen anvender MF'en som resulterer fra samvirket mellom det mottatte signal og den første lokal-oscillatorens signal frembragt av oscillatoren i enheten 7

i referansekanalen. MF signalet som føres tilden andre blander 17' i Doppler-differansekanalen er: 7F + D2 - 21/22 x D1 + 21/22 x 1kHz (4)

Den andre lokal-oscillatorens signal i Doppler-differansekanalen fastlåses på samme måte som det i referansekanalen og kan gjengis som: 7F + D2 - 21/22 x D1 - 1/22 x 1kHz (5).

Blanderen 31 subtraherer lokal-oscillatorsignalet (3): i referansekanalen fra lokal-oscillatorens signal (5) i Doppler-dif f eransekanalen og frembringer et utgangssignal som er lik (D2 - D-^ som tilføres Doppler-målingskretsen.

Den spesielle Doppler-målingskret som anvendes i forbin-delse med oppfinnelsen er i stor grad et spørsmål om valg av konstruksjon. Ettersom imidlertid verdien av D ? - D^ kan være positiv, negativ eller endog null, er det hen-siktsmessig å faselåse Doppler-differansekanalen på den motsatte side av det mottatte signal slik at en Doppler-dif f eranseutmatning lik D2 - D^ + 2kHz vil oppnås.

Ettersom det resulterende utgangssignal representerer differansen i frekvens mellom to signaler mottatt fra nøy-aktig styrte sendere, er behovet for en meget nøyaktig lokal-oscillator eliminert.

Selv om oppfinnelsen er blitt beskrevet med henvisning til GPS-teknikk, vil man forstå at dette representerer kun ett av et antall mulige systemer i hvilke Doppler-differensial-frekvenser kan anvendes. På tilsvarende måte ble den spesielle mottaker som er omtalt i denne beskrivelse valgt som et eksempel. Andre typer av GPS mottakere kan anvendes ved praktisering av oppfinnelsen.

Når mottakeren ifølge foreliggende oppfinnelse anvendes som et navigasjonshjelpemiddel, kan den anvendes for nøyaktig å bestemme hastigheten av fartøyet i hvilket mottakeren er installert når fartøyets posisjon er kjent eller for å bestemme posisjonene når hastigheten er kjent.

Claims (9)

1. Differensial-Doppler-mottaker omfattende første og andre faselåste kanaler og antennemidler for samtidig å motta høyfrekvente signaler fra første og andre relativt bevegelige fjerntliggende sendere som har samme grunnfre-kvens, karakterisert ved at mottakeren omfatter midler for å separere signalene fra nevnte før-ste og andre sendere fra det kombinerte mottatte signal, at den første faselåste kanal er en referenasekanal for behandling av ett av de separerte signaler, og at den andre faselåste kanal er en Doppler-differansekanal for behandling av det andre separerte signal, at mottakeren dessuten omfatter en tids-oscillator (23), idet en spen-ningskontrollert oscillator (7, 7') i hver av de faselåste sløyfer reguleres ifølge størrelsen av signalet som flyter i sløyfen, at hver av de faselåste sløyfer dessuten omfatter midler for overlagring av det separerte signal som flyter i sløyfen med et lokal-oscillator-signal som utledes fra den spenningskontrollerte oscillatoren (7, 7') i denne sløyfe, idet den spenningskontrollerte oscillator justeres slik at i den faselåste tilstand er signalet fra overlagringsmidlene lik i fase og frekvens med signalet fra tidsmidlet, og at mottakeren videre omfatter midler for å tilveiebringe et utgangssignal som er representativt for differansen i frekvens mellom de to lokal-bscillatorsignaler.

2. Mottaker som angitt i krav 1, karakterisert ved at de fjerntliggende sendere er montert i satelitter i et globalt posisjoneringssystem, og at signalene fra slike kilder moduleres ved pseudo-tilfeldige støysignaler til et spredt signal.

3. Mottaker som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at den videre omfatter blander-midler (5) for overlagring av de kombinerte mottatte spredte signaler med et ytterligere lokal-oscillator- signal som utledes fra utgangen hos den spenningskontrollerte oscillator (7) i referansekanalen.

4. Mottaker som angitt i krav 3, karakterisert ved at midlet for å separere signalene fra det kombinerte mottatte spredte signal omfatter første og andre korrelatorer (11,13) som hver er koblet til å motta utmatningen fra blandermidlet (5), idet nevnte før-ste og andre korrelator er koblet til å reagere på lokalt genererte pseudo-tilfeldige støysignaler som er tro ko-pier av den pseudo-tilfeldige støymodulasjon som påføres signalene i henholdsvis nevnte første og andre kilder, idet nevnte første og andre korrelatorer dessuten er koblet til å innføre sine resulterende despredte signaler i de faselåste sløyfene i henholdvis referanse- og Doppler-differansekanelene.

5. Mottaker som angitt i krav 4, karakterisert ved at et smalbåndpass-forsterkende middel (15, 15') er tilkoblet korrelatorene (11,13) i hver kanal for å dempe støy og uvedkommende sidebånd fra de despredte signaler i de faselåste sløyfesignaler.

6. Mottaker som angitt i krav 5, karakterisert ved at den dessuten omfatter middel (21,21') for å låse fasen av signalet fra det båndpassforsterken-de middel (15,15') i hver kanal til fasen for signalet fra tids-oscillatoren (23).

7. Mottaker som angitt i krav 6, karakterisert ved at faselåsingsmidlet i hver kanal omfatter en tofase-detektor (21,21').

8. Mottaker som angitt i et hvilken som helst av de fo-regående krav, karakterisert ved at midlet for å tilveiebringe et utgangssignal omfatter utgangs-blandingsmiddel (31) koblet til å motta lokal-oscillatorsignaler fra hver kanal, hvorved frekvensen av utgangssignalet fra blanderen er lik differansen i frekvens mellom de to lokal-oscillatorsignaler.

9. Mottaker som angitt i krav 8, karakterisert ved at den dessuten omfatter middel (24) for å addere frekvensdifferansesignalet fra blanderen (31) til et signal som utledes fra tids-oscillatormidlet (23), hvorved et positivt utgangssignal kan oppnås uansett de relative frekvenser hos lokal-oscillatorsignalene.