RU2787076C1 - Многочастотный приемник сигналов Глобальных Навигационных Спутниковых Систем - Google Patents

Abstract

Использование: 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. Сущность: приемник состоит из последовательно соединенных антенного блока, блока уплотнения сигналов, аналогового радиочастотного преобразователя, цифрового преобразователя частоты (ЦПЧ), пакетной памяти сигнала, пакетного тьюнера, пакетного 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; блока каналов слежения в реальном времени, вход которого соединен со вторым выходом цифрового преобразователя частоты через генератор кодов разуплотнения в реальном времени, вход которого соединен со вторым выходом блока уплотнения сигналов; процессора с блоком памяти и интерфейсными блоками, вход/выход которого соединен с входом/выходом пакетного блока корреляции, блока частотного анализа, блока памяти накоплений, блока каналов слежения в реальном времени и блока уплотнения сигналов цифровой шиной данных; второй вход блока корреляции соединен со вторым выходом пакетной памяти сигналов через пакетный 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. Технический результат: повышение чувствительности, точности и помехозащищенности мультисистемного многочастотного приемника ГНСС, включая ГНСС с частотным разделением сигналов, например, ГЛОНАСС, благодаря как цифровой обработке сигналов в ускоренном времени, так и повышению отношения мощности сигналов по отношению к мощности шума и/или помех за счет цифрового формирования луча диаграммы направленности фазированной антенной решетки. 12 з.п. ф-лы, 13 ил.

Description

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, или находятся в стадии развертывания несколько глобальных навигационных спутниковых систем: принадлежащая Соединённым Штатам Америки Global Positioning System (GPS), российская Глобальная Навигационная Спутниковая Система (ГЛОНАСС), Европейская спутниковая навигационная система Галилео (Galileo), китайская ГНСС Бейдоу (или Компас), японская региональная QZSS, индийская IRNSS.

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

Каждая из ГНСС предусматривает передачу навигационных сигналов в нескольких (обычно, трех) частотных диапазонах. Так, например, спутники системы GPS излучают сигналы в диапазонах L1, L2 и L5. Спутники системы Galileo излучают сигналы в диапазонах E1, E6, E5A и E5B, несущие частоты двух из которых совпадают с частотами GPS.. Спутники системы ГЛОНАСС излучают сигналы в диапазонах L1 L2 и, в перспективе, в диапазоне L3, причем, все несущие частоты не совпадают с частотами GPS и Galileo. Спутники системы Бейдоу излучают сигналы в диапазонах B1, B2 и B3, несущие частоты которых лишь частично совпадают с частотами GPS.

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 B1I на частоте 1561.098 МГц, а ГНСС ГЛОНАСС – на 14 разных частотах вблизи базового значения 1602.0 МГц.

ГНСС предусматривают передачу как общедоступных (гражданского применения) сигналов, так и сигналов с ограничением доступа потребителей к ним (сигналы высокой точности и защищенности). Если говорить об общедоступных сигналах, то 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. Модуляция общедоступных сигналов ГНСС имеет сравнительно невысокие тактовые частоты порядка 0.5 - 2 МГц. Наиболее существенны отличия гражданских сигналов, излучаемых в диапазонах L5(B2, E5), тактовая частота кодовой модуляции которых составляет 10.23 МГц.

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.

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 CША № 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 CША № 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 CША № 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 CША № 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 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

А = F * P * N * С, Формула (1)

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

P – 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 квазипараллельной 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 корреляциии (6) для обработки за один такт пакета отсчетов требуется генератор кода, генерирующий на каждом такте обработки пакет из P отсчетов копии сигнала; в блоке корреляциии (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 ±90⁰. 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 фазы.

В отличие от ГНСС GPS, 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 CША № 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 вместо простой линейной интерполяции на ограниченное число отсчетов фазы, 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 М ² 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 CША No 6828935 является рост объема оборудования для цифровой обработки сигналов, в первом приближении, пропорционально числу антенн.

Другим преимуществом многоантенного приема является возможность определить направление прихода радиосигнала по разностям измеряемой фазы несущего колебания сигнала, принимаемого через разнесенные элементы антенной решетки. Несовпадение определяемого направления прихода сигнала с ожидаемым согласно предвычисленным направлением на НИСЗ может свидетельствовать об отраженном характере приема сигнала, что снижает ценность измерений по этому сигналу, поскольку погрешности измерений могут увеличиваться. Также, несовпадение определяемого направления прихода сигнала с ожидаемым согласно предвычисленным направлением на НИСЗ может свидетельствовать о преднамеренной злоумышленной подмене сигнала НИСЗ – так называемом спуфинге сигналов ГНСС.

Попытка совместить напрямую преимущества многоантенного приемника ГНСС согласно патенту CША № 6828935 и высокочувствительной архитектуры согласно патенту CША № 7630430приводит к увеличению в М раз сравнительно объемного оборудования согласно патенту CША No 7630430, что неприемлемо для значительного числа практических применений.

Известны попытки преодоления указанного недостатка. Патент Российской Федерации № 2656998, выданный 08 июня 2018 года, «Высокочувствительный приемник сигналов Глобальных Навигационных Спутниковых Систем» раскрывает архитектуру приемника ГНСС GPS в части совмещения высокой производительности корреляционной обработки с многоантенным приемом при умеренном росте используемого оборудования. Приемник ГНСС (смотри Фиг.2) представляет собой последовательно соединенные антенный блок (21), блок уплотнения сигналов (23), радиочастотный преобразователь (РЧП) (22), цифровой преобразователь частоты (ЦПЧ) (24), пакетная память сигналов (25), пакетный тьюнер (28), пакетный блок корреляции (26) и блок частотного анализа (7), 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 (7); процессор с блоком памяти и интерфейсными блоками (9), вход/выход которого соединен с входом/выходом блока корреляции (26), блока частотного анализа (7) 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) приемника состоит из M антенных элементов с малошумящими усилителями на выходе, при этом выходные сигналы антенных элементов поступают на входы блока уплотнения сигналов (23), где они подвергаются фазовой манипуляции кодами уплотнения и суммируются. Благодаря использованию блока уплотнения сигналов (23) и, соответственно, генератора кодов разуплотнения (27), в приемнике может использоваться единый тракт обработки сигналов, состоящий из последовательно РЧП (22), ЦПЧ (24) и пакетной памяти сигналов (25) без увеличения числа трактов, кратного числу элементов антенного блока (21). Корреляционные накопления (16), производимые пакетным блоком корреляции (26) по сигналу одного и того же НИСЗ, но уловленные разными антенными элементами, могут доворачиваться процессором (9) по фазе на предсказанный угол, определяемый известными направлением на НИСЗ и пространственным расположением элементов антенного блока (21), и суммироваться в блоке памяти накоплений (8). В результате достигается увеличение отношение мощностей сигнала и шума, аналогичное достигаемому, например, в патенте США № 6828935, но без увеличения оборудования, кратного числу элементов антенного блока (21).

Архитектура приемника ГНСС согласно патенту РФ № 2656998 эффективна для приема общедоступных (гражданского применения) сигналов, передаваемых ГНСС в диапазоне L1 и, частично, в диапазоне L2. Действительно, тактовые частоты кодов модуляции таких сигналов не превосходят величин 1.023 МГц или 2.046 МГц, что позволяет использовать значения частот дискретизации отсчетов этих сигналов порядка 2 – 4 МГц и, следовательно, реализовать высокие значения величины F – отношения частот записи и считывания пакетной памяти сигнала (25), а, значит, и обеспечить высокую производительность единственным каналом корреляции в темпе быстрее реального времени согласно Формуле (1) выше.

При многочастотном приеме сигналов ГНСС используют, в том числе, широкополосные сигналы диапазона L5 (B2, E5), отличающиеся в 10 раз более высокой тактовой частотой кодов модуляции 10.23 МГц. Для архитектуры приемника ГНСС согласно патенту РФ № 2656998 это приводит к десятикратному снижению значения величины F – отношения частот записи и считывания пакетной памяти сигнала (25), а, значит, и производительности единственного канала корреляции при обработке этих сигналов. Кроме того, для сохранения в пакетной памяти сигнала (25) той же длины выборки сигнала требуется десятикратное увеличение объема пакетной памяти сигнала (25). Таким образом, для применений в многочастотном приемнике ГНСС, принимающем, в том числе, сигналы диапазона L5 (B2, E5), архитектура приемника ГНСС согласно патенту РФ № 2656998 становится неэффективна.

Сущность изобретения

Задачей, решаемой заявленным изобретением, является создание архитектуры высокочувствительного мультисистемного многочастотного приемника ГНСС, принимающего, в том числе, и наиболее широкополосные сигналы ГНСС диапазона L5 (B2, E5), совмещающего достоинства, с одной стороны, цифровой обработки сигналов единственным высокопроизводительным коррелятором, 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 многочастотного приемника ГНСС, включая ГНСС с частотным разделением сигналов, например, ГЛОНАСС. Технический результат заявленного изобретения достигается за счёт того, что цифровая обработка с целью захвата сигналов частотного диапазона L1(E1, B1), 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, при этом цифровая обработка с целью слежения за сигналами всех частотных диапазонов осуществляется каналами реального времени.

Технический результат заявленного изобретения достигается за счет того, что многочастотный приемник сигналов глобальных навигационных спутниковых систем, состоящий из последовательно соединенных антенного блока, аналогового радиочастотного преобразователя, цифрового преобразователя частоты, пакетной памяти сигнала, пакетного тюнера, пакетного блока корреляции и блока частотного анализа, а также генератора опорной частоты, выход которого соединен со входом опорной частоты аналогового радиочастотного преобразователя; блока памяти накоплений, вход которого соединен с выходом пакетного блока корреляции и входом, и выходом блока частотного анализа; блока каналов слежения в реальном времени, вход которого соединен со вторым выходом цифрового преобразователя частоты; процессора с блоком памяти и интерфейсными блоками, вход/выход которого соединен с входом/выходом пакетного блока корреляции, блока частотного анализа, блока памяти накоплений, блока каналов слежения в реальном времени; при этом второй вход пакетного блока корреляции соединен со вторым выходом пакетной памяти сигналов; а второй вход/выход процессора является внешним информационным входом/выходом приемника.

В частном случае реализации заявленного технического решения дополнительно содержит генератор кодов разуплотнения в реальном времени, блок уплотнения сигналов, и пакетный генератор кодов разуплотнения, при этом вход блока каналов слежения в реальном времени соединен со вторым выходом цифрового преобразователя частоты через генератор кодов разуплотнения в реальном времени, вход которого соединен со вторым выходом блока уплотнения сигналов; который соединен с процессором с блоком памяти и интерфейсными блоками, второй вход блока корреляции соединен со вторым выходом пакетной памяти сигналов через пакетный генератор кодов разуплотнения, третий выход пакетной памяти сигналов соединен со вторым входом блока уплотнения сигналов, а антенный блок состоит из по меньшей мере двух 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 коды уплотнения выполнены в виде ансамбля взаимно ортогональных кодовых последовательностей, предпочтительно, кодов Уолша.

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 пакетном 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 пакетный блок корреляции выполнен с возможностью корреляционной обработки отсчетов смеси сигналов глобальных навигационных спутниковых систем с шумом в каждом из частотных поддиапазонов.

В частном случае реализации заявленного технического решения выходным сигналом пакетного 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, сравнивает спектры мощности накоплений с порогом обнаружения, при этом накапливаемые статистики во временной и частотной областях сохраняются в блоке памяти накоплений, а пакетный 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 сигналов 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 диапазона L1, 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 диапазона L1, а пакетный тюнер 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.

В частном случае реализации заявленного технического решения пакетная память сигналов, пакетный генератор кодов разуплотнения, пакетный тюнер, пакетный блок корреляции, блок частотного анализа и блок памяти накоплений объединены в блок захвата и мониторинга сигналов, выполненный с возможностью обнаружения и захвата, а также мониторинга направления прихода сигналов ГНСС, излучаемых в диапазоне L1, а слежение за сигналами всех ГНСС с измерением их радионавигационных параметров осуществляется в блоке каналов слежения в реальном времени.

В частном случае реализации заявленного технического решения блок каналов слежения в реальном времени состоит из по меньшей мере двух идентичных универсальных каналов слежения в реальном времени за сигналами ГНСС, общего постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) кодов и секвенсора, осуществляющего периодическое последовательное подключение каналов слежения в реальном времени к ПЗУ кодов для получения очередных сегментов локальных копий модулирующих кодовых последовательностей принимаемых сигналов.

В частном случае реализации заявленного технического решения канал слежения в реальном времени состоит из последовательно соединённых мультиплексора входных сигналов, демодулятора кода разуплотнения в реальном времени и коррелятора; генератора несущей; генератора частоты и фазы кода; генератора кода, поднесущей и оверлейного кода; при этом второй вход демодулятора кода разуплотнения соединен с выходом мультиплексора кодов разуплотнения в реальном времени; второй вход коррелятора соединен с выходом генератора несущей; третий вход коррелятора соединен с выходом последовательно соединенных генератора частоты и фазы кода, и генератора кода, поднесущей и оверлейного кода; второй и третий входы генератора кода, поднесущей и оверлейного кода соединены с выходами ПЗУ кодов и секвенсора, соответственно; управляющие входы мультиплексора входных сигналов, мультиплексора кодов разуплотнения в реальном времени, генератора несущей, генератора частоты и фазы кода, генератора кода, поднесущей и оверлейного кода, а также выход коррелятора соединены с входом/выходом процессора с блоком памяти и интерфейсными блоками.

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, характеризующего предшествующий уровень техники.

Фиг.3 – представлена блок-схема высокочувствительного мультисистемного приемника ГНСС, реализованная в соответствии с предлагаемым изобретением.

Фиг.4 – представлена функциональная схема реализации антенного блока и блока уплотнения сигналов согласно предлагаемому изобретению.

Фиг.5 – представлена функциональная схема реализации цифрового преобразователя частоты согласно предлагаемому изобретению.

Фиг.6 – иллюстрируется принцип поворота фазы квантованных на четыре уровня отсчетов сигнала, представляемого координатами квадратурных I и Q точек на условной фазовой плоскости.

Фиг.7 – представлена функциональная схема реализации пакетного тюнера частотного разделения сигналов согласно предлагаемому изобретению.

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

Фиг.9 – представлена функциональная схема реализации пакетного блока корреляции согласно предлагаемому изобретению.

Фиг.10 – представлена функциональная схема реализации генератора кода согласно предлагаемому изобретению.

Фиг.11 – представлена функциональная схема реализации блока частотного анализа согласно предлагаемому изобретению.

Фиг.12 – представлена функциональная схема реализации блока каналов слежения в реальном времени согласно предлагаемому изобретению.

Фиг.13 – представлена функциональная схема реализации канала слежения в реальном времени 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 – преобразованные отсчеты; 15 – пакеты отсчетов; 16 – выход блока корреляции; 17 - блок каналов слежения в реальном времени; 18 - генератор кодов разуплотнения в реальном времени; 19 – «второй выход цифрового преобразователя частоты»; 20 - блок захвата и мониторинга сигналов; 21 – блок антенный; 22 – радиочастотный преобразователь (РЧП); 23 – блок уплотнения сигналов; 24 – цифровой преобразователь частоты (ЦПЧ); 25 – пакетная память сигналов; 26 – пакетный блок корреляции; 27 – пакетный 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 – код разуплотнения; 37 – второй выход пакетной памяти сигналов; 39 – фазовращатели; 40 – СВЧ коммутаторы; 41 – генератор ортогональных кодов; 42 – СВЧ сумматор; 43 – цифровые смесители; 44 – генераторы ПЧ; 45 – фильтры нижних частот (ФНЧ) с конечной импульсной характеристикой (КИХ); 46 – блоки ресамплер; 47 – квантователи; 48 – «второй выход блока уплотнения сигналов; 49 – «выход генератора кодов разуплотнения в реальном времени»; 50 – набор управляющих констант; 51 – блоки поворота фазы; 52 – управляющая константа; 53 – блоки поворота 0⁰|180⁰; 54 – блоки поворота 0°|90°; 55 – блоки поворота 0°|45°; 56 – блоки преобразования в дополнительный двоичный код; 57 – каналы слежения в реальном времени; 58 – постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) кодов; 59 – секвенсор; 60 – смеситель кода плеч блока корреляции; 61 – цифровая шина ПЗУ кодов; 62 – смеситель несущей плеч блока корреляции; 63 – квадратурный накопитель плеч блока корреляции; 64 – демодулятор плеч блока корреляции; 65 – генератора кода блока корреляции; 66 – генератор частоты и фазы кода блока корреляции; 67 – генератор несущей блока корреляции; 68 – выходы генератора кода; 69 – целосимвольное значение фазы кода; 70 – дробное значение фазы кода; 71 – генератор пакета кодовых символов; 72 – мультиплексор отсчетов кода; 73 – формирователь сдвинутых пакетов отсчетов кода; 74 – линии выбора канала, подключаемого к ПЗУ кодов; 75 – комплексный умножитель; 76 – сумматор накоплений; 77 – буферный регистр накоплений; 78 – блок БПФ; 79 – блок накопления мощностей; 80 – пороговое устройство; 81 - мультиплексор кодов разуплотнения в реальном времени; 82 - демодулятор кода разуплотнения в реальном времени; 83 – коррелятор; 84 - генератор несущей; 85 - генератор частоты и фазы кода; 86 - генератор кода, поднесущей и оверлейного кода; 87 – «выход мультиплексора входных сигналов»; 88 – «выход мультиплексора кодов разуплотнения в реальном времени»; 89 – «выход генератора несущей»; 90 – «выход генератора кода, поднесущей и оверлейного кода»; 91 – «выход генератора частоты и фазы кода»; 92 – «выход демодулятора кода разуплотнения в реальном времени»; 93 - мультиплексор входных сигналов.

Раскрытие изобретения

Сущность изобретения заключается в том, что многочастотный приемник ГНСС состоит из последовательно соединенных антенного блока (21), блока (23) уплотнения сигналов, аналогового радиочастотного преобразователя (22) (РЧП), цифрового преобразователя частоты (24) (ЦПЧ), пакетной памяти сигнала (25), пакетного тьюнера (28), пакетного блока (26) корреляции и блока (7) частотного анализа, а также генератора (3) опорной частоты, выход (11) которого соединен со входом опорной частоты радиочастотного преобразователя (2);

блока (8) памяти накоплений, вход которого соединен с выходом пакетного блока корреляции (26) и входом/выходом блока (7) частотного анализа; блока (17) каналов слежения в реальном времени, первый вход которого соединен со вторым выходом цифрового преобразователя частоты, а второй вход соединен с выходом блока (23) уплотнения сигналов через генератор (18) кодов разуплотнения в реальном времени; процессора (9) с блоком памяти и интерфейсными блоками, вход/выход которого соединен с входом/выходом блока (23) уплотнения сигналов, пакетного блока (26) корреляции, блока (7) частотного анализа, блока (8) памяти накоплений, пакетного тьюнера (28) и блока (17) каналов (57) слежения в реальном времени цифровой шиной данных; второй вход блока корреляции соединен со вторым выходом пакетной памяти сигналов через пакетный генератор кодов разуплотнения; третий выход пакетной памяти сигналов соединен со вторым входом блока уплотнения сигналов;

второй вход/выход процессора (9) является внешним информационным входом/выходом приемника;

при этом пакетная память (25) сигналов, пакетный генератор (27) кодов разуплотнения, пакетный тьюнер (28), пакетный блок (26) корреляции, блок (7) частотного анализа и блок (8) памяти накоплений образуют укрупненный блок (20) захвата и мониторинга сигналов.

Антенный блок (21) и РЧП (22) улавливают, усиливают, селектируют (с помощью полосовой фильтрации) сигналы и преобразуют частоту смеси сигналов и шума к удобному значению промежуточной частоты (ПЧ). При этом РЧП (22) использует сигнал от стабильного генератора (3) опорной частоты. Выходными сигналами РЧП (22) служат преобразованные в цифровую форму выборки смеси сигналов и шума на ПЧ.

Цифровой преобразователь частоты (4) (ЦПЧ) режектирует помехи в сигналах ГНСС, передаваемых в разных частотных диапазонах ГНСС, например, L1(Е1, В1), L2(E6, В3), L5(B2, E5), разделяет сигналы в 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 поддиапазонов диапазона L1(Е1), согласованную с шириной спектра модуляции сигналов, что позволяет в дальнейшем использовать минимальное значение частоты дискретизации сигналов. Сигналы поддиапазонов диапазона L1(Е1) ЦПЧ квантует, сохраняя число разрядов представления их отсчетов, предназначенное для хранения в пакетной памяти сигналов, которая сохраняет отсчеты сигналов ГНСС – раздельно для каждого из частотных поддиапазонов диапазона L1(Е1, В1) – в темпе реального времени и воспроизводит их в виде пакетов отсчетов в ускоренном темпе, согласованном с темпом последующей обработки в блоке захвата и мониторинга сигналов. Пакетная память (5) сигналов строится, например, в виде циклических буферов (для каждого из частотных поддиапазонов) на базе запоминающего устройства с произвольным доступом. Пакетный блок (26) корреляции осуществляет корреляционную обработку отсчетов смеси сигналов ГНСС с шумом.

Выходным сигналом пакетного блока корреляции (26) являются накопленные за известное время корреляционные интегралы смеси сигнала с шумом и ожидаемой копии сигнала. Блок частотного анализа (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 (8) памяти накоплений. Пакетный блок (26) корреляции поочередно обрабатывает группы отсчетов сигналов в ускоренном времени, коррелируя их с локальными копиями всех сигналов. Порции входных отсчетов хранятся в пакетной памяти (25) сигналов в течение времени, требуемого для корреляционной обработки всех требуемых НИСЗ нескольких ГНСС.

Результаты корреляционной обработки порций сигнальных отсчетов хранятся в блоке памяти накоплений и повторно используются при возобновлении обработки тех же сигналов. Тем самым, реализуется обработка сигналов блоком захвата и мониторинга сигналов (20) 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.

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 диапазона L1(Е1, В1) усиливается, селектируется, оцифровывается, преобразуется и хранится в виде пакетов отсчетов, проходя через единый тракт, состоящий из радиочастотного преобразователя (2), цифрового преобразователя частоты (24), пакетной памяти (25) сигналов и пакетного тьюнера (28).

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 тьюнера (28) в блоке корреляции (6) проходят демодуляцию кодовыми последовательностями, поступающими из пакетного генератора (18) кодов разуплотнения, соответствующими использованным в блоке (23) уплотнения сигналов для того или иного антенного элемента (1), чтобы в текущем цикле цифровой обработки сигнала выбирать в качестве входных пакеты отсчетов сигнала с требуемых антенных элементов.

Работа блока (23) уплотнения сигналов синхронизирована с темпом записи пакетов сигнальных отсчетов в пакетную память (25) сигналов, а работа пакетного генератора (27) кодов разуплотнения синхронизирована с темпом чтения пакетов сигнальных отсчетов из пакетной памяти (25) сигналов. Между первым выходом пакетной памяти сигналов и входом блока (6) корреляции включен цифровой пакетный тьюнер (28), преобразующий частоты несущих колебаний сигналов ГЛОНАСС к близким к нулю значениям. Предложенный специальный выбор частоты дискретизации квантованных сигналов ГЛОНАСС обеспечивает простую цифровую реализацию пакетного тьюнера и сохраняет простое построение блока корреляции при пакетной цифровой обработке сигналов ГНСС ГЛОНАСС с частотным разделением сигналов.

Новизна предлагаемого технического решения заключается во введении в состав приемника блока (17) каналов слежения в реальном времени, первый вход которого соединен со вторым выходом цифрового преобразователя частоты (4), а второй вход соединен с выходом блока (23) уплотнения сигналов через генератор (18) кодов разуплотнения в реальном времени; третий вход/выход блока (17) каналов слежения в реальном времени соединен с процессором (9) с блоком памяти и интерфейсными блоками. Слежение за всеми сигналами всех частотных диапазонов и измерение навигационных параметров сигналов производятся в блоке (17) каналов слежения в реальном времени. Блок (20) захвата и мониторинга сигналов используется только при поиске и захвате сигналов ГНСС диапазона L1(Е1 В1) и избирательном слежении за частью этих сигналов, поступающих от избранных антенных элементов, для мониторинга направления прихода сигналов с целью определения отраженных или подмененных в результате спуфинга сигналов НИСЗ. Ввод каналов (57) слежения в реальном времени в режим слежения осуществляется передачей целеуказаний из блока (20) захвата и мониторинга сигналов. Каналы (57) слежения в реальном времени осуществляют обработку сигналов от антенных элементов, соответствующих избираемым кодам разуплотнения из генератора кодов разуплотнения в реальном времени.

Предлагаемый высокочувствительный приемник сигналов ГНСС в предпочтительной реализации включает в себя (смотри фиг.3) последовательно соединенные антенный блок (21), блок уплотнения сигналов (23), радиочастотный преобразователь (РЧП) (22), цифровой преобразователь частоты (ЦПЧ) (24), пакетную память сигналов (25), пакетный тьюнер (28), пакетный блок корреляции (26) и блок частотного анализа (7), 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) пакетного блока корреляции (26) и входом/выходом блока частотного анализа (7); блок каналов слежения в реальном времени (17), вход (19) которого соединен со вторым выходом цифрового преобразователя частоты (24), а второй вход (49) соединен с выходом блока уплотнения сигналов (23) через генератор кодов разуплотнения в реальном времени (18); процессор с блоком памяти и интерфейсными блоками (9), вход/выход (12) которого соединен с входом/выходом блока уплотнения сигналов (23), пакетного блока корреляции (26), блока частотного анализа (7), блока памяти накоплений (8), пакетного тьюнера (28) и блока каналов слежения в реальном времени (17) цифровой шиной данных (12); второй вход блока корреляции (36) соединен со вторым выходом (37) пакетной памяти сигналов (25) через пакетный 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; при этом пакетная память сигналов (25), пакетный генератор кодов разуплотнения (27), пакетный тьюнер (28), пакетный блок корреляции (26), блок частотного анализа (7) и блок памяти накоплений (8) образуют укрупненный блок захвата и мониторинга сигналов (20).

Антенный блок (21) в предпочтительном варианте реализации (смотри фиг.4) состоит из M 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 фиг.4. В блоке уплотнения сигналов (23) сигналы от антенных элементов (1) подвергаются фазовой манипуляции кодами уплотнения. Генератор ортогональных кодов (41) формирует ансамбль взаимно ортогональных кодовых последовательностей (48), предпочтительно, кодов Уолша.

Сигналы (29) от антенных элементов (1), проходя через фазовращатели (39), приобретают фазовый сдвиг 180⁰. СВЧ коммутаторы (40), в зависимости от поступающих на них значений кодов уплотнения (48), пропускают сигналы (29) от антенных элементов (1) либо с первоначальной, либо с перевернутой фазой на входы СВЧ сумматора (42), выход которого является выходом (30) блока уплотнения сигналов (23). Фазовращатели (39) и СВЧ сумматор (42) на радиочастоте ГНСС в предпочтительном варианте могут исполняться в виде микрополосковых структур на диэлектрической подложке. В качестве СВЧ коммутаторов (40) могут использоваться, например, PIN-диоды. Генератор ортогональных кодов (41) реализуется на элементах цифровой схемотехники, и его работа синхронизируется с моментами записи в пакетную память сигналов (25) через вход (35).

Результирующий сигнал с выхода (30) блока уплотнения сигналов (23) в радиочастотном преобразователе (22) усиливается, селектируются (с помощью полосовой фильтрации) и преобразуется к удобным значениям промежуточных частот (ПЧ) сигналов в диапазонах и поддиапазонах ГНСС, При этом РЧП (22) использует выход (11) генератора опорной частоты (3). Выходными сигналами РЧП (22) служат преобразованные в цифровую форму выборки (31) смеси сигналов и шума на ПЧ. В мультисистемном многочастотном приемнике ГНСС в качестве РЧП 22 может использоваться как единственный широкополосный РЧП, так и отдельные узкополосные РЧП по числу частотных диапазонов и поддиапазонов ГНСС. Частота дискретизации преобразованных в цифровую форму выборок (31) смеси сигналов и шума на ПЧ согласована с шириной спектра сигналов.

Цифровой преобразователь частоты (ЦПЧ) (24) разделяет сигналы ГНСС, передаваемые в разных частотных диапазонах L1(Е1, В1), L2(E6, В3), L5(B2, E5) и 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), ослабляет возможные помеховые сигналы в режекторах помех (77), переносит комплексные цифровые отсчеты сигналов на нулевую (приблизительно) частоту, осуществляет фильтрацию сигналов ГНСС поддиапазонов диапазона L1(Е1, В1), 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 сигналов (25).

В предпочтительном варианте реализации (смотри фиг.5), цифровой преобразователь частоты (24) состоит из линеек преобразования по числу частотных диапазонов и поддиапазонов L1(Е1, В1) ГНСС. Выборки (31) смеси сигналов и шума на ПЧ проходят через режекторы помех (77), выходы которых служат выходами (19) ЦПЧ (24) для блока каналов слежения в реальном времени (17) и – для поддиапазонов L1(Е1, В1) - цифровыми смесителями (43) переносятся на частоту, близкую к нулевой. Гетеродинные сигналы формируются генераторами ПЧ (44), реализованными на схемотехнике широко распространенных цифровых модуляторов частоты.

На частоте, близкой к нулевой, сигналы ограничиваются по ширине спектра цифровыми фильтрами нижних частот (ФНЧ) с конечной импульсной характеристикой (КИХ) (45).

В блоках ресамплер (46) частота дискретизации сигнальных отсчетов понижается до согласованной с их спектром после ФНЧ КИХ (45) с целью сокращения потребного объема пакетной памяти сигналов (25). Ресамплер (46) предпочтительно строится на основе интерполяции сигнальных отсчетов. В ФНЧ КИХ (45) и ресамплере (46) ведется обработка многоразрядных отсчетов сигнала. Квантователь (47) с целью сокращения потребного объема пакетной памяти сигналов (25) производит ограничение числа разрядов отфильтрованных сигналов (32) на нулевой частоте. В предпочтительных вариантах реализации разрядность отфильтрованных сигналов (32) на нулевой частоте составляет один, два или три разряда.

В другом предпочтительном варианте реализации ЦПЧ (24), вместо одной линейки преобразования сигналов ГНСС ГЛОНАСС, имеющих суммарную ширину спектра (считая по первому нулю спектра модуляции) сигналов на четырнадцати частотах порядка 8.3 МГц, могут использоваться, например, две линейки с центральной настройкой на частоты -4 и +3, соответственно, и шириной полосы каждой из двух линеек порядка 4.4 МГц. Первая линейка предназначена для приема сигналов ГНСС ГЛОНАСС с номерами -7…-1, а вторая – для приема сигналов с номерами 0…+6.

Пакетная память сигналов (25) сохраняет отсчеты отфильтрованных сигналов (32) на нулевой частоте – раздельно для каждого из частотных поддиапазонов L1(Е1, В1) ГНСС – в темпе реального времени и воспроизводит их в виде пакетов отсчетов (33) в ускоренном темпе, равном темпу последующей обработки в пакетном тюнере (28) и пакетном блоке корреляции (26). Пакетная память сигналов (25) в предпочтительном варианте реализации строится в виде циклических буферов (для каждого из частотных поддиапазонов) на базе ЗУ с произвольным доступом.

Размер пакета отсчетов может достигать – с учетом удобных для реализации ЗУ размеров, кратных степеням двойки – шестидесяти четырех, ста двадцати восьми, и более пар квадратурных I и Q отсчетов отфильтрованных сигналов (32) на нулевой частоте. Разрядность пакетов отсчетов, хранимых в пакетной памяти сигналов (25), выбирается на основе компромисса между объемом оборудования, потребного для хранения отсчетов с большой разрядностью, и потерями корреляционной обработки сигналов, возникающими при использовании малоразрядных отсчетов сигналов. На практике, наиболее употребительными для хранения отфильтрованных сигналов (32) на нулевой частоте являются длины один, два или три разряда, которые вызывают потери в отношении сигнал/шум при корреляционной обработке порядка 1.5 дБ, 0.5 дБ и 0.2 дБ, соответственно.

В другом варианте реализации пакетная память сигналов (25) может строиться в виде парных банков памяти, поочередно подключаемых на запись пакетов отсчетов отфильтрованных сигналов (32) на нулевой частоте в реальном времени и чтение пакетов отсчетов (33) в ускоренном времени. Синхросигнал (35) пакетной памяти отсчетов (25), соответствующий началу записи пакета отсчетов, поступает в блок уплотнения сигналов (23), где, с учетом времени задержки в тракте обработки РЧП (22) и ЦПЧ (24), используется для привязки фазы кодов уплотнения к границам пакетов сигнала, записываемых в пакетную память сигналов (25), с целью упрощения последующего разуплотнения сигналов в процессе корреляционной обработки.

Функция пакетного генератора кодов разуплотнения (27), с учетом привязки фазы кодов уплотнения к границам пакетов отфильтрованных сигналов на нулевой частоте (32) и, соответственно, пакетов отсчетов (33), сводится к хранению и выдаче в пакетный блок корреляции (26) констант (36), описывающих уплотняющие кодовые последовательности.

В предпочтительном варианте реализации, пакетный генератор кодов разуплотнения (27) строится на базе постоянного запоминающего устройства, считывание из которого синхронизировано сигналом (37) считывания пакетов отсчетов (33) из пакетной памяти сигналов (25).

Использование в составе предлагаемого изобретения комбинации блока уплотнения сигналов (23) и генератора кодов разуплотнения (27) с окончательным разуплотнением сигналов в процессе корреляционной обработки позволяет осуществить обработку сигналов от множества разнесенных антенных элементов (1) в единственном тракте РЧП (22), ЦПЧ (24), пакетная память сигналов (25) и пакетный тьюнер (28), что сокращает объем используемого оборудования.

В предпочтительном варианте построения пакетного тьюнера (28) малоразрядных квадратурных отсчетов из пакета отсчетов (33) сигналов ГНСС, используется согласованный поворот фазы последовательных пар I и Q отсчетов сигналов из пакета отсчетов (33) на угол, соответствующий изменению фазы под действием частоты смещения настройки. Требуемые значения смещения частоты настройки соответствуют принятому в ГНСС ГЛОНАСС шагу расстройки частотного разделения в диапазоне L1, равному 0.5625 МГц = 9/16 МГц.

При выборе частоты дискретизации сигналов ГЛОНАСС, равной, например, 9 МГц, смещению номера частоты настройки пакетного тьюнера (28) на единицу соответствует доворот фазы каждой последующей пары I и Q отсчетов сигналов из пакета отсчетов (33) на угол 1/16 цикла, то есть 22.5°. Аналогично, при выборе частоты дискретизации, равной 4.5 МГц, доворот фазы каждой последующей пары I и Q отсчетов сигналов из пакета отсчетов (33) должен производиться на угол 1/8 цикла, то есть, 45⁰.

Принцип работы пакетного тьюнера (28) для случая проквантованных на четыре уровня (разряды MAG и SIGN) сигналов проиллюстрирован на фиг.6. Пунктирными линиями обозначены уровни квантования I и Q отсчетов: -3, -1, +1, +3. Узлам на пересечении уровней квантования соответствуют шестнадцать возможных значений пар I и Q отсчетов. Отсчеты внешнего «кольца» пронумерованы цифрами от 1 до 12 и обозначены полыми кружками. Отсчеты внутреннего «кольца» пронумерованы цифрами от 1 до 4 и обозначены сплошными кружками. Для использования в качестве значений довернутых по фазе пакетов отсчетов (34), квантуемых на 5 уровней (-3, -1, 0, +1, +3) двоичного дополнительного кода, на фиг.6 добавлены точки, Х1…Х8 на пересечениях пунктирных линий с нулевыми уровнями осей I и Q.

При частоте дискретизации 4.5 МГц, доворот каждой последующей пары отсчетов на величину кратную 45° приводит к однозначному смещению настройки по частоте в диапазоне ±3 шага частотного разделения сигналов ГНСС ГЛОНАСС диапазона L1. Значения фазовых углов, на которые доворачиваются пары I и Q отсчетов при любой настройке (-3…+3) на сигнал ГНСС ГЛОНАСС повторяются через восемь отсчетов.

Аналогично, при частоте дискретизации 9.0 МГц, доворот каждой последующей пары I и Q отсчетов на величину кратную 22.5° приводит к однозначному смещению настройки по частоте в диапазоне ±7 шагов частотного разделения сигналов ГНСС ГЛОНАСС диапазона L1, а значения фазовых углов, на которые доворачиваются пары I и Q отсчетов при любой настройке (-7…+7) на сигнал ГНСС ГЛОНАСС повторяется через шестнадцать отсчетов.

На фиг.7 представлена блок-схема предпочтительной реализации пакетного тьюнера (28) для случая длины пакета, равной шестидесяти четырем парам входных I и Q отсчетов сигнала из пакета отсчетов (33) при частоте дискретизации 4.5 МГц. Пакетный тьюнер (28) содержит 8 идентичных блоков поворота фазы (51), каждый служит для преобразования восьми пар I и Q отсчетов сигнала из пакета отсчетов (33) в пары I и Q довернутых по фазе пакетов отсчетов (34). Фазовые углы поворота для блоков поворота фазы (51) определяются подачей управляющей константы (52) из набора управляющих констант Ai = А1…А7 (50). Константа 52 (одна из семи) выбирается в зависимости от требуемого номера частоты 12 относительно центральной частоты поддиапазона (-3, -2, -1, 0, +1, +2, +3) ГНСС ГЛОНАСС диапазона L1.

На фиг.8 представлена блок-схема предпочтительной реализации блока поворота фазы (51) для случая частоты дискретизации 4.5 МГц. Блок поворота фазы (51) преобразует 8 квадратурных пар отсчетов из пакета отсчетов (33) (Отсчет 0 … Отсчет 7) в пары I и Q отсчетов довернутых по фазе пакетов отсчетов (34) по принципу, проиллюстрированному на фиг.6. Отсчеты из пакета отсчетов (33) квантованы на четыре уровня с весами -3, -1, +1, +3. Общим для обработки всех восьми отсчетов в блоке поворота фазы (51) является то, что каждый из восьми перед выдачей преобразуется в дополнительный двоичный код (ДДК) со значениями -3, -1, 0, +1, +3, что происходит в блоках преобразования в ДДК (56), на входы которых отсчеты поступают после прохождения через блоки изменения фаз отсчетов, на фиг.8 обозначенных как Поворот 0°|180° (блок 53), Поворот 0°|90° (блок 54) и Поворот 0°|45° (блок 55). В зависимости от поступающей управляющей константы Аi (сигнал 52), блок (53) Поворот 0°|180° либо производит поворот отсчета на 180°, либо сохраняет отсчет неизменным. При избранной кодировке отсчетов из пакета отсчетов (33) поворот отсчета на 180° производится инвертированием разряда SIGN отсчетов I и Q. Аналогично, блок (54) Поворот 0°|90° в зависимости от поступающей управляющей константы Аi (сигнал 52), либо производит поворот отсчета на 90°, либо сохраняет отсчет неизменным. При избранной кодировке отсчетов поворот на 90° производится по правилу I = Q, Q = -I. Блок (55) Поворот 0°|45° в зависимости от поступающей управляющей константы Аi (сигнал 52), либо производит поворот отсчета на 45°, либо сохраняет отсчет неизменным. Реализация поворота на 45°, предпочтительно, производится табличным путем, имея в виду, что, как это проиллюстрировано на фиг.6, повороту на 45° соответствует перемещение по внешнему кольцу отсчетов на фазовой плоскости на две позиции с учетом добавленных точек Х1…Х8. Таблица, реализующая блок 54 Поворот 0°|45°, может быть совмещена с таблицей, реализующей преобразование в ДДК (56).

Дальнейшее сокращение оборудования блока поворота фазы (51) обусловлено отсутствием необходимости в некоторых из блоков поворота фазы для тех или иных номеров отсчетов.

Отсчет 0 блока поворота фазы (51) не содержит блоков (53), (54) и (55) поворота фазы отсчета. Отсчеты 2 и 6 не содержат блоков (55) поворота фазы отсчета. Отсчет 4 блока поворота фазы (51) не содержит блоков (54) и (55) поворота фазы отсчета.

Таким образом, благодаря специальному выбору частоты дискретизации сигналов в предлагаемом изобретении удается обеспечить цифровую пакетную обработку сигналов ГНСС ГЛОНАСС с помощью пакетного тьюнера (28), построенного на простых логических схемах без использования полноценных смесителей сигналов для каждого из отсчетов пакета, что сокращает объем используемого оборудования.

Пакетный блок корреляции (26) осуществляет корреляционную обработку довернутых по фазе пакетов отсчетов (34) смеси сигналов ГНСС с шумом. Выходным сигналом (16) пакетного блока корреляции (26) являются накопленные за известное время корреляционные интегралы смеси сигнала с шумом и ожидаемой копии сигнала. Блок частотного анализа (7) производит дальнейшее накопление статистик (16) 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 (16) во временной и частотной областях сохраняются в блоке памяти накоплений (8). Пакетный блок корреляции поочередно обрабатывает группы довернутых по фазе пакетов отсчетов (34) в ускоренном времени, коррелируя их с локальными копиями всех сигналов. Порции пакетов отсчетов (33) хранятся в пакетной памяти сигналов (25) в течение времени, требуемого для корреляционной обработки всех требуемых НИСЗ нескольких ГНСС. Результаты корреляционной обработки порций сигнальных отсчетов (16) хранятся в специальной памяти накоплений (8) и повторно используются при возобновлении обработки тех же сигналов. Тем самым, реализуется обработка сигналов пакетным блоком корреляции (26) 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 (8), а также внешний информационный обмен производятся процессором с блоком памяти и интерфейсными блоками (9).

В предпочтительном варианте реализации согласно предлагаемому изобретению пакетный блок корреляции (26) состоит (смотри фиг.9) из единственных генератора частоты и фазы кода 66, генератора кода (65), генератора несущей 67, и N плеч корреляции: Плечо 1, Плечо 2, … Плечо N. Число N может совпадать с числом М антенных элементов (1) блока антенного (21).

Каждое плечо 1…N состоит из последовательно соединенных демодулятора (64), смесителя кода (60), смесителя несущей (62) и квадратурного накопителя (63). Входы смесителей кода (60) всех плеч (Плечо 1, Плечо 2, … Плечо N) являются довернутыми по фазе пакетами отсчетов (34) входной смеси сигналов и шума, прошедшими пакетный тьюнер (28). Выходы (16) квадратурных накопителей (63) являются выходами пакетного блока корреляции (26). Первые входы демодуляторов (64) плеч соединены с выходами (68) генератора кода (65), а входы смесителей несущей (62) плеч соединены с выходом генератора несущей (67).

Генератор несущей (67) и генератор частоты и фазы кода (66) в предпочтительной реализации предлагаемого изобретения выполняются как цифровые модуляторы частоты. Целосимвольное значение фазы (69) кода на начало очередного пакета отсчетов локальной копии сигнала для первого плеча (Плечо 1) с выхода генератора частоты и фазы кода (66) поступает на первый вход генератора кода (65) и определяет отрезок символов кода для формирования выходов (68) генератора кода (65).

Дробное значение фазы (70) символа кода на начало очередного пакета отсчетов локальной копии сигнала для первого плеча (Плечо 1) с выхода генератора частоты кода (66) поступает на второй вход генератора кода (65) и позволяет для каждого из выходов (68) генератора кода (65) назначить корректный номер символа кода.

Предпочтительная реализация генератора кода (65) представлена на фиг.10. Генератор пакета кодовых символов (71) предпочтительно реализован на базе постоянного запоминающего устройства, хранящего все кодовые последовательности сигналов ГНСС, и формирует пакет символов кода в соответствии с целосимвольным значением фазы кода (69) на начало очередного пакета отсчетов локальной копии сигнала для первого плеча (Плечо 1).

Мультиплексор отсчетов кода (72) для каждого из генерируемых отсчетов пакета локальной копии сигнала для первого плеча (Плечо 1) выходов (68) генератора кода (65) назначает корректный номер символа кода в соответствии с дробным значением фазы (69) символа кода. Пакеты отсчетов локальной копии сигнала для остальных плеч 2…N выходов (68) генератора кода (65) формируются упрощенно в формирователе N-1 сдвинутых пакетов отсчетов кода 73, то есть как задержанные на целое число тактов частоты дискретизации.

Вторые входы демодуляторов (64) (смотри фиг. 9) соединены с выходами пакетного генератора кодов разуплотнения (27). Демодуляторы (64), домножая пакеты отсчетов локальной копии сигнала, формируемые генератором кода (65) для того или иного плеча блока корреляции (26), на коды разуплотнения (36), настраивают это плечо (Плечо 1, Плечо 2, … Плечо N) для обработки сигнала от соответствующего антенного элемента (1) блока антенного (21). Возможна реализация двух (как минимум) режимов организации циклов обработки сигналов в блоке корреляции (26). В первом – режиме обработки сильного сигнала – плечи (Плечо 1, Плечо 2, … Плечо N) производят корреляционную обработку сигнала от единственного антенного элемента (1) блока антенного (21), коррелируя его с N смещенными по задержке выходами (68) генератора кода (65). Во втором – режиме обработки слабого сигнала – плечи (Плечо 1, Плечо 2, … Плечо N) производят корреляционную обработку сигналов от N антенных элементов (1) блока антенного (21), коррелируя их с одной общей версией выхода (68) генератора кода (65).

Реализация анизатропности, или, иначе, направленных свойств антенной системы, то есть диграммообразование цифровой фазированной антенной решетки (ЦАР) в предпочтительной реализации предлагаемого изобретения осуществляется в ходе исполнения программ процессором (9), которые производят взвешенное когерентное суммирование корреляционных накоплений, хранящихся в блоке памяти накоплений, по сигналам от разных элементов (1) блока антенного (21). Такая организация диграммообразования ЦАР может быть вполне приемлемой с точки зрения нагрузки на процессор (9) для режима слежения за сигналами ГНСС, когда длительность когерентных накоплений сравнительно велика и достигает величины длительности информационных символов, например, 20 миллисекунд. В режиме обнаружения слабых сигналов ГНСС длительность когерентных накоплений, обычно, существенно короче и может составлять десятки микросекунд. В этом случае, взвешенное когерентное суммирование корреляционных накоплений должно производиться многократно чаще, и программная реализация диграммообразования ЦАР предъявляет высокие требования к производительности процессора (9), что, в ряде случаев, неприемлемо.

В другой предпочтительной реализации предлагаемого изобретения для диграммообразования ЦАР используется аппаратная поддержка ресурсами блока частотного анализа (7), устройство которого представлено на фиг.11. Блок частотного анализа (7) включает в себя последовательно соединенные комплексный умножитель (75), сумматор накоплений (76), буферный регистр накоплений (77), блок быстрого преобразования Фурье (БПФ) (78), блок накопления мощностей (79) и пороговое устройство (80). Входом блока частотного анализа (7), соединенным со вторыми входами буферного регистра накоплений (77) и комплексного умножителя (75), служат когерентные корреляционные накопления (16) сигналов ГНСС, поступающие из пакетного блока корреляции (26) и/или блока памяти накоплений (8). Второй вход сумматора накоплений (76) соединен с выходом буферного регистра накоплений (77). Выходами блока частотного анализа (7) являются выход блока БПФ (78) частотных спектров (16), и блока накопления мощностей (79) накопленных частотных спектров (16), поступающих в блок памяти накоплений (8). Входами/выходами (12) блока частотного анализа (7), также, являются входы/выходы блока БПФ (78) частотных спектров (16), и блока накопления мощностей (79) накопленных частотных спектров (16), поступающих в/из процессора (9). Накопленные частотные спектры корреляционных накоплений сравниваются с порогом обнаружения в пороговом устройстве (80), вход/выход (12) которого также является входом/выходом блока частотного анализа (7), соединяемым с процессором (9).

В режиме обработки сильных сигналов, буферный регистр накоплений (77) заполняется последовательностью накоплений (16) от одного из плеч пакетного блока корреляции (26), запускается обработка этой последовательности блоками БПФ (78), накопления мощностей (79) и пороговым устройством (80), и, по мере освобождения буферного регистра накоплений (77), он заполняется новой последовательностью накоплений (16) от следующего из плеч пакетного блока корреляции (26); процесс продолжается до завершения обработки последовательностей накоплений (16) от всех плеч пакетного блока корреляции (26).

В режиме обработки слабых сигналов с аппаратным диаграммообразованием ЦАР, после заполнения буферного регистра накоплений (77) последовательностью накоплений (16) от первого из плеч пакетного блока корреляции (26), соответствующей первому антенному элементу (1) блока антенного (21), на комплексный умножитель (75) подается величина угла предвычисленной в процессоре (9) разности фаз между первым и вторым антенными элементами (1) блока антенного (21). Вторая последовательность накоплений (16) от второго из плеч блока корреляции (26) довернутая в комплексном умножителе (75) на величину разности фаз суммируется с первой последовательностью в сумматоре накоплений (76) и вновь помещается в буферный регистр накоплений (77). Цикл доворота фаз и суммирования повторяется для всех последовательностей накоплений (16) от всех плеч пакетного блока корреляции (26), после чего запускается обработка суммарной последовательности блоками БПФ (78), накопления мощностей (79) и пороговым устройством (80).

Предпочтительная реализация блока каналов слежения в реальном времени (17) представлена на фиг.12. Блок (17) состоит из множества идентичных универсальных каналов слежения в реальном времени (57) за сигналами любой из ГНСС в любом из их частотных диапазонов, общего постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) кодов (58) и секвенсора (59). Первые входы каналов слежения в реальном времени (57) соединены с выходами (19) ЦПЧ (24). Вторые входы/выходы блока каналов слежения в реальном времени (17) соединены с шиной (61) ПЗУ кодов (58) и служат для периодического последовательного подключения каналов слежения в реальном времени (57) к ПЗУ кодов (58) для получения очередных сегментов локальных копий модулирующих кодовых последовательностей принимаемых сигналов. Секвенсор (59) обеспечивает поочередное последовательное подключение каналов слежения в реальном времени (57) к шине (61) ПЗУ кодов (58), последовательно выдавая разрешающие сигналы (74). Техническая реализация секвенсора (59) может представлять собой несложный цифровой автомат, исполняющий его перечисленные функции. Третьи входы каналов слежения в реальном времени (57) соединены с выходами (49) генератора кодов разуплотнения в реальном времени (18). Четвертые входы/выходы (12) блока каналов слежения в реальном времени (17) соединены с шиной процессора (9) и служат для управления каналами (17).

Предпочтительной реализацией генератора кодов разуплотнения в реальном времени (18) может служить цифровое устройство, повторяющее на своем выходе (49) коды уплотнения (48) от блока уплотнения сигналов (23) с задержкой на величину запаздывания при прохождении сигналов через тракт РЧП (22) – ЦПЧ (24) от входа (30) до выходов (19).

Предпочтительная реализация канала слежения в реальном времени (57) представлена на фиг.13. Канал (57) состоит из коррелятора (83), первый вход которого соединен с выходом (89) генератора несущей (84), второй вход (90) которого соединен с выходом (91) генератора частоты и фазы кода (85) через генератор кода, поднесущей и оверлейного кода (86), третий вход (92) которого соединен через демодулятор кода разуплотнения в реальном времени (82) с выходом (87) мультиплексора входных сигналов (93) и выходом (88) мультиплексора кода разуплотнения в реальном времени (81). Мультиплексор входных сигналов (93) выбирает один из входных сигналов (19) ГНСС для подключения к коррелятору (83) под управлением (12) от процессора (9). Мультиплексор кода разуплотнения в реальном времени (81) выбирает один из входных кодов разуплотнения (49) под управлением (12) от процессора (9).

Демодулятор кода разуплотнения в реальном времени (82) в предпочтительной реализации предлагаемого изобретения может представлять собой логическую схему, инвертирующую знак цифровых отсчетов сигнала (87) ГНСС от требуемого антенного элемента в соответствии с избранным кодом разуплотнения (88).

Генератор несущей (84) и генератор частоты и фазы кода (85) в предпочтительной реализации предлагаемого изобретения выполняются как цифровые модуляторы частоты, работающие под управлением процессора (9).

Предпочтительная реализация коррелятора (83) может совпадать с устройством одного плеча корреляции пакетного блока корреляции (26) (смотри фиг.9) и состоять, например, из последовательно соединенных смесителя кода (16), смесителя несущей (62) и квадратурного накопителя (63).

Предпочтительная реализация генератора кода, поднесущей и оверлейного кода (86) может включать в себя исполнительный регистр сдвига, старший, например, разряд которого формирует текущее значение кода модуляции локальной реплики сигнала (90), и буферный регистр той же разрядности, призванный хранить следующий сегмент кода модуляции, Сдвиг исполнительного регистра сдвига производится по сигналу (91) от генератора частоты и фазы кода (85). После формирования исполнительным регистром сдвига последнего из разрядов сегмента кода модуляции, содержимое буферного регистра должно переписываться в исполнительный регистр сдвига. После переписи очередного сегмента кода модуляции из буферного регистра в исполнительный регистр сдвига, в буферный регистр подгружается очередной сегмент кода из ПЗУ кодов (58) по шине (61) при наличии сигнала разрешения (74) от секвенсора (59). Темп выдачи каналам разрешений (74) на обращение к ПЗУ кодов (58) от секвенсора (59) должен заведомо превышать темп опустошения исполнительных регистров сдвига генераторов кода, поднесущей и оверлейного кода (86). Для гарантии равномерности темпа опустошения указанных регистров, длина кодов модуляции ГНСС должна быть кратна (или близка кратной с малой избыточностью) длине сегментов кода, то есть разрядности исполнительного и буферного регистров. Коды модуляции всех сигналов ГНСС, кроме ГЛОНАСС, имеют длины 1023, 2046, 4096, 5115, 10230 или 767250, то есть, кратны 1023=3*11*31. Исходя из этого, предпочтительными значениями разрядности исполнительного и буферного регистров генератора кода, поднесущей и оверлейного кода (86) являются значения 11, 31, 33, 93. Длина кода модуляции сигналов ГНСС ГЛОНАСС равна 511, то есть, не кратна значениям 31, 33, 93, 99. Чтобы избежать существенной неравномерности темпа опустошения регистров генератора кода, поднесущей и оверлейного кода (86) при работе по сигналам ГНСС ГЛОНАСС, может использоваться удвоенная длина кода 2*511=1022, которая будет приводить к минимальной неравномерности темпа подгрузки очередных сегментов из ПЗУ кодов (58), равной длине всего лишь одного символа кода модуляции.

Подгрузка очередного сегмента кода модуляции в генератор кода, поднесущей и оверлейного кода происходит при получении каналом (57) разрешения (74) от секвенсора (59) в следующей последовательности. При свободном буферном регистре генератора (86), канал выставляет на шине (61) адрес в ПЗУ кодов требуемого сегмента кода, после чего производит чтение по шине (61) сегмента кода.

Количество в блоке (17) каналов слежения в реальном времени (57) определяется ожидаемым количеством сигналов НИСЗ в зоне видимости потребителя - с учетом двухкомпонентности некоторых из сигналов - во всех частотных диапазонах ГНСС, подлежащих приему. Подразумевая прием сигналов четырех основных ГНСС – GPS, ГЛОНАСС, Галилео, БейДоу, а также региональных систем навигации и систем функциональных дополнений (QZSS, IRNS, SBAS), - количество каналов слежения в реальном времени (57) может достигать двухсот и более.

Исходя из того, что наиболее энергетически напряженным режимом приема сигналов является их поиск и захват, в предпочтительном варианте реализации заявляемого многочастотного приемника ГНСС многоантенный прием наиболее целесообразен для реализации ЦАР при работе блока захвата и мониторинга сигналов (20) в диапазоне L1(E1, В1). Для большинства применений мониторинг направления прихода сигналов с целью селекции сигналов, переотраженных или преднамеренно искаженных в результате спуфинга, достаточно осуществлять в одном диапазоне частот, например, L1(E1, B1). Действительно, переотражения сигналов происходят в условиях распространения, одинаковых для всех диапазонов сигнала одного НИСЗ, а спуфинг сигналов, логичным образом, производят или во всех частотных диапазонах чтобы измерения на разных частотах не демонстрировали очевидной их неконсистенности, или, по крайней мере, в наиболее употребительном диапазоне L1(E1, B1). В предпочтительном варианте реализации заявляемого многочастотного приемника ГНСС незанятые каналы слежения в реальном времени (57) используются для организации многоантенного приема с целью повышения отношения мощностей сигнала и шума реализацией, фазированной ЦАР для слежения за наиболее слабыми сигналами.

Таким образом, в предлагаемом изобретении совмещены возможности реализации высокой чувствительности мультисистемного многочастотного приемника ГНСС, включая ГНСС с частотным разделением сигналов ГЛОНАСС, с помощью высокопараллельной пакетной цифровой обработки сигналов в ускоренном времени, и с помощью повышения отношения сигнал/шум цифровой фазированной антенной решеткой (ЦАР) без увеличения объема оборудования, пропорционального числу элементов ЦАР. Кроме того, за счет использования в предлагаемом изобретении ЦАР, повышается точность местоопределений с помощью приемника ГНСС вследствие двойного эффекта: во-первых, повышения отношения сигнал/шум и, соответственно, сокращения погрешностей ошибок измерителей навигационных параметров; во-вторых, пространственной селекции прямых лучей радиосигналов ГНСС и ослабления отраженных, что приводит к уменьшению погрешностей многолучевого распространения сигналов. Следует отметить, что использование ЦАР позволяет также повысить устойчивость приемника ГНСС к воздействию естественных и организованных помех, если при диаграммообразовании ЦАР использовать алгоритмы расчёта коэффициентов взвешенного суммирования сигналов от антенных элементов, минимизирующие усиление ЦАР в направлении прихода помехи. Многоантенный прием сигналов ГНСС позволяет осуществлять мониторинг направления их прихода с целью селекции отраженных и преднамеренно искаженных с помощью спуфинга сигналов НИСЗ. В частном случае единственного приемного элемента антенного блока, мультисистемный многочастотный приемник утрачивает функциональность цифровой фазированной антенной решетки, однако в полном объеме сохраняет свою базовую функциональность. Изобретение может быть использовано, в частности, в такой области радионавигации, как построение мультисистемных многочастотных приемников глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) высокой точности и высокой помехозащищенности, работающих в условиях затруднённого приема сигналов для широкого класса потребителей.

Claims (30)

1. Многочастотный приемник сигналов глобальных навигационных спутниковых систем, состоящий из последовательно соединенных:

антенного блока,

блока уплотнения сигналов,

аналогового радиочастотного преобразователя,

цифрового преобразователя частоты,

пакетной памяти сигнала,

пакетного тьюнера,

пакетного блока корреляции

и блока частотного анализа;

а также генератора опорной частоты, выход которого соединен со входом опорной частоты аналогового радиочастотного преобразователя;

блока памяти накоплений, вход которого соединен с выходом пакетного блока корреляции, и входом и выходом блока частотного анализа;

блока каналов слежения в реальном времени,

генератора кодов разуплотнения в реальном времени,

блока каналов слежения в реальном времени, при этом первый вход блока каналов слежения в реальном времени соединен со вторым выходом цифрового преобразователя частоты, а второй вход через генератор кодов разуплотнения в реальном времени соединен со вторым выходом блока уплотнения сигналов;

процессора с блоком памяти и интерфейсными блоками, вход/выход которого соединен с входом/выходом пакетного блока корреляции, блока частотного анализа, блока памяти накоплений, блока каналов слежения в реальном времени, а также входами пакетного тьюнера и блока уплотнения сигналов;

при этом второй вход пакетного блока корреляции соединен со вторым выходом пакетной памяти сигналов через пакетный 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,

а антенный блок состоит из по меньшей мере двух антенных элементов с малошумящими усилителями на выходе, при этом выходные сигналы антенных элементов поступают на входы блока уплотнения сигналов.

2. Приемник по п. 1, отличающийся тем, что в блоке уплотнения сигналов сигналы от антенных элементов подвергаются фазовой манипуляции кодами уплотнения.

3. Приемник по п. 2, отличающийся тем, что коды уплотнения выполнены в виде ансамбля взаимно ортогональных кодовых последовательностей, предпочтительно, кодов Уолша.

4. Приемник по п. 1, отличающийся тем, что 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 пакетном блоке корреляции.

5. Приемник по п. 1, отличающийся тем, что пакетная память сигналов для каждого из частотных поддиапазонов выполнена в виде циклических буферов на базе запоминающего устройства с произвольным доступом, при этом пакетный блок корреляции выполнен с возможностью корреляционной обработки отсчетов смеси сигналов глобальных навигационных спутниковых систем с шумом в каждом из частотных поддиапазонов.

6. Приемник по п. 1, отличающийся тем, что выходным сигналом пакетного 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, сравнивает спектры мощности накоплений с порогом обнаружения, при этом накапливаемые статистики во временной и частотной областях сохраняются в блоке памяти накоплений, а пакетный 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 сигналов 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.

7. Приемник по п. 1, отличающийся тем, что 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.

8. Приемник по п. 1, отличающийся тем, что пакетная память выполнена с возможностью сохранения сигналов с частотой дискретизации равной 9 МГц, что соответствует 16-кратной величине разноса частот сигналов ГНСС ГЛОНАСС диапазона L1, а пакетный тьюнер выполнен с возможностью поворота фаз последовательных комплексных отсчетов сигнального пакета на величины, кратные 1/16 фазового цикла.

9. Приемник по п. 1, отличающийся тем, что пакетная память выполнена с возможностью сохранения сигналов с частотой дискретизации равной 4.5 МГц, что соответствует 8-кратной величине разноса частот сигналов ГНСС ГЛОНАСС диапазона L1, а пакетный тьюнер выполнен с возможностью поворота фаз последовательных комплексных отсчетов сигнального пакета на величины, кратные 1/8 фазового цикла.

10. Приемник по п. 1, отличающийся тем, что 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.

11. Приемник по п. 1, отличающийся тем, что пакетная память сигналов, пакетный генератор кодов разуплотнения, пакетный тьюнер, пакетный блок корреляции, блок частотного анализа и блок памяти накоплений объединены в блок захвата и мониторинга сигналов, выполненный с возможностью обнаружения и захвата, а также мониторинга направления прихода сигналов ГНСС, излучаемых в диапазоне L1, а слежение за сигналами всех ГНСС с измерением их радионавигационных параметров осуществляется в блоке каналов слежения в реальном времени.

12. Приемник по п. 1, отличающийся тем, что блок каналов слежения в реальном времени состоит из по меньшей мере двух идентичных универсальных каналов слежения в реальном времени за сигналами ГНСС, общего постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) кодов и секвенсора, осуществляющего периодическое последовательное подключение каналов слежения в реальном времени к ПЗУ кодов для получения очередных сегментов локальных копий модулирующих кодовых последовательностей принимаемых сигналов.

13. Приемник по п. 1, отличающийся тем, что канал слежения в реальном времени состоит из последовательно соединенных мультиплексора входных сигналов, демодулятора кода разуплотнения в реальном времени и коррелятора; генератора несущей; генератора частоты и фазы кода; генератора кода, поднесущей и оверлейного кода; при этом второй вход демодулятора кода разуплотнения соединен с выходом мультиплексора кодов разуплотнения в реальном времени; второй вход коррелятора соединен с выходом генератора несущей; третий вход коррелятора соединен с выходом последовательно соединенных генератора частоты и фазы кода, и генератора кода, поднесущей и оверлейного кода; второй и третий входы генератора кода, поднесущей и оверлейного кода соединены с выходами ПЗУ кодов и секвенсора, соответственно; управляющие входы мультиплексора входных сигналов, мультиплексора кодов разуплотнения в реальном времени, генератора несущей, генератора частоты и фазы кода, генератора кода, поднесущей и оверлейного кода, а также выход коррелятора соединены с входом/выходом процессора с блоком памяти и интерфейсными блоками.

Images