RU81806U1

RU81806U1 - SOFTWARE / GLONASS / GPS RECEIVER

Info

Publication number: RU81806U1
Application number: RU2008147535/22U
Authority: RU
Inventors: Геннадий Михайлович Беркович; Леонид Викторович Пурто; Владимир Александрович Свириденко
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "СПИРИТ-Телеком"
Priority date: 2008-12-03
Filing date: 2008-12-03
Publication date: 2009-03-27

Abstract

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано для приема навигационных сигналов ГЛОНАСС и GPS. Технический результат заключается в возможности одновременного приема сигналов ГЛОНАСС, GPS и датчиков инерциальной системы с обработкой принятых сигналов на компьютере, что позволяет повысить точность навигации и снизить стоимость устройства. Устройство также способно принимать сигналы спутниковой навигационной системы GALILEO, передаваемые на частоте GPS. Устройство содержит антенный разъем, малошумящий усилитель, ГЛОНАСС и GPS радиочастотные модули, схему исключающего ИЛИ для проверки синхронизации радиочастотных модулей, генератор опорного колебания радиочастотных модулей, микроконтроллер, обеспечивающий управление радиочастотными модулями и датчиками инерциальной системы, принимающий оцифрованные отсчеты входного сигнала и информацию с датчиков и передающий их по интерфейсу USB 2.0 через выходной разъем на компьютер, генератор опорного колебания микроконтроллера, флэш-ПЗУ для хранения программы микроконтроллера.The invention relates to the field of electronics and can be used to receive navigation signals GLONASS and GPS. The technical result consists in the possibility of simultaneously receiving GLONASS, GPS signals and inertial system sensors with processing the received signals on a computer, which allows to increase navigation accuracy and reduce the cost of the device. The device is also capable of receiving GALILEO satellite navigation system signals transmitted on a GPS frequency. The device contains an antenna connector, a low-noise amplifier, GLONASS and GPS radio frequency modules, an exclusive OR circuit for checking the synchronization of radio frequency modules, a reference oscillator of the radio frequency modules, a microcontroller that controls the radio frequency modules and sensors of the inertial system, which receives digitized samples of the input signal and information from sensors and transferring them via USB 2.0 via an output connector to a computer, a reference oscillator of a microcontroller, a flash ROM for storing microcontroller program Ia.

Description

Область техники, к которой относится полезная модельThe technical field to which the utility model relates.

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано для приема навигационных сигналов ГЛОНАСС и GPS.The invention relates to the field of electronics and can be used to receive navigation signals GLONASS and GPS.

Уровень техникиState of the art

Известно устройство (Universal GPS Receiver Lets You Use a Laptop PC for Soft Baseband Processinf- MAXIM Engineering journal, volume Sixty-Three, Microwaves & RF, December 2006, WO 2005/045458 A1 GPS RECEIVER AND RELATED METHOD AND APPARATUS), представляющее собой программно-аппаратный GPS приемник, содержащий антенный разъем, соединенный с малошумящим усилителем, к выходу которого подключен GPS радиочастотный модуль, включающий в себя опорный генератор частот, квадратурный смеситель, усилитель с переменным коэффициентом усиления, аналого-цифровой преобразователь, выход которого представляет собой поток оцифрованных отсчетов и который соединен параллельным интерфейсом с микроконтроллером, поддерживающим интерфейс USB 2.0, присоединенным к выходному разъему и предполагающий последующую обработку оцифрованных отсчетов на компьютере. Достоинством данного решения является его малая стоимость, так как приемник содержит только радиоприемный тракт, а вся обработка сигналов осуществляется универсальным компьютером, что позволяет отказаться от использования процессора в составе приемника. Однако в полной мере достоинством указанного решения не удается воспользоваться из-за присущего ему недостатка, заключающемуся в том, что в условиях ограниченной видимости спутников («городской каньон» и другие аналогичные условия) использование только одной спутниковой навигационной системы GPS не позволяет получить решение навигационной задачи с достаточной точностью и надежностью.A device is known (Universal GPS Receiver Lets You Use a Laptop PC for Soft Baseband Processinf-MAXIM Engineering journal, volume Sixty-Three, Microwaves & RF, December 2006, WO 2005/045458 A1 GPS RECEIVER AND RELATED METHOD AND APPARATUS), which is a software a GPS hardware receiver containing an antenna connector connected to a low-noise amplifier, the output of which is connected to a GPS radio frequency module, including a reference frequency generator, a quadrature mixer, a variable-gain amplifier, an analog-to-digital converter, the output of which is a stream of digitized samples and which connected by a parallel interface to a microcontroller that supports USB 2.0, connected to the output connector and assuming the subsequent processing of digitized samples on a computer. The advantage of this solution is its low cost, since the receiver contains only the radio receiving path, and all signal processing is carried out by a universal computer, which allows you to refuse to use the processor as part of the receiver. However, the advantage of this solution cannot be fully exploited due to its inherent disadvantage of using only one satellite navigation system GPS in conditions of limited visibility of satellites (“city canyon” and other similar conditions). with sufficient accuracy and reliability.

Раскрытие полезной моделиUtility Model Disclosure

Предлагаемым изобретением решаются задачи расширения функциональности и повышения точности навигации путем добавления возможности приема навигационных сигналов ГЛОНАСС и передачи оцифрованного сигнала этой системы во внешний компьютер синхронно с оцифрованным сигналом GPS.The present invention solves the problem of expanding the functionality and improving the accuracy of navigation by adding the ability to receive GLONASS navigation signals and transmit the digitized signal of this system to an external computer synchronously with the digitized GPS signal.

Для достижения этого технического результата в устройство добавлены делитель мощности входного сигнала, второй радиочастотный модуль для приема навигационных сигналов ГЛОНАСС. При этом вход делителя мощности соединен с выходом малошумящего усилителя, а его два выхода с входами радиочастотных модулей соответственно. Радиочастотный модуль выполняет преобразование входного сигнала в квадратурный сигнал путем его умножения на синусную и косинусную составляющие опорного генератора, фильтрацию квадратурного сигнала. Значения частот опорных генераторов соответствуют значениям несущих, значения полос пропускания фильтров - To achieve this technical result, an input signal power divider and a second radio-frequency module for receiving GLONASS navigation signals are added to the device. In this case, the input of the power divider is connected to the output of the low-noise amplifier, and its two outputs with the inputs of the RF modules, respectively. The radio frequency module converts the input signal into a quadrature signal by multiplying it by the sine and cosine components of the reference generator, filtering the quadrature signal. The frequencies of the reference generators correspond to the values of the carriers, the filter bandwidths are

значениям полос навигационных сигналов ГЛОНАСС и GPS соответственно, при этом значения полос пропускания фильтров могут меняться в процессе работы. Радиочастотный модуль GPS также способен обеспечить прием сигналов спутниковой навигационной системы GALILEO, передаваемых на той же частоте. Для формирования требуемых значений несущих используется отдельный генератор опорных колебаний радиочастотных модулей с частотой, существенно меньшей 24 МГц, используемой для работы USB. Выходы полосовых фильтров соединены с входами усилителей с переменным коэффициентом усиления. Выходы данных усилителей соединены с входами аналого-цифровых преобразователей.the values of the GLONASS and GPS navigation signal bands, respectively, while the filter bandwidths can change during operation. The GPS radio frequency module is also capable of receiving signals from the GALILEO satellite navigation system transmitted at the same frequency. To form the required carrier values, a separate generator of the reference oscillations of the radio-frequency modules with a frequency substantially less than 24 MHz used for USB operation is used. The outputs of the bandpass filters are connected to the inputs of amplifiers with a variable gain. The outputs of these amplifiers are connected to the inputs of analog-to-digital converters.

Квадратурные составляющие сигнала усиливаются при помощи усилителей с переменным коэффициентом усиления до уровня, необходимого для работы аналого-цифровых преобразователей и подаются на их вход. Данные преобразователи преобразуют квадратурные составляющие сигнала в поток оцифрованных отсчетов разрядностью два бита по каждой составляющей. Таким образом, разрядность потока оцифрованных отсчетов каждого радиочастотного модуля составляет 4 бита, а суммарная разрядность потока оцифрованных отсчетов обоих радиочастотных модулей составляет 8 бит. Частота оцифровки потока отсчетов также формируется генератором опорных колебаний радиочастотных модулей. При этом частота оцифровки потока отсчетов может равняться частоте генератора опорных колебаний радиочастотных модулей или быть в два раза ниже ее, что определяется возможностями делителя, встроенного внутрь радиочастотного модуля, физической пропускной способностью соединения через интерфейс USB и вычислительными способностями процессора, обрабатывающего полученные отсчеты. В предлагаемом устройстве предусмотрена возможность установки значения частоты оцифровки потока отсчетов 16.368 или 8.184 МГц и ее переключения в процессе работы. Данный поток при помощи параллельного интерфейса поступает на вход микроконтроллера. Туда же передаются тактовые импульсы с выхода одного из радиочастотных модулей.The quadrature components of the signal are amplified by amplifiers with a variable gain to the level necessary for the operation of analog-to-digital converters and fed to their input. These converters convert the quadrature components of the signal into a stream of digitized samples with a bit capacity of two bits for each component. Thus, the digit capacity of the stream of digitized samples of each RF module is 4 bits, and the total digit capacity of the stream of digitized samples of both RF modules is 8 bits. The sampling rate digitization frequency is also generated by the reference oscillator of the RF modules. In this case, the sampling rate digitization frequency can be equal to the frequency of the reference oscillation generator of the RF modules or can be half as much, which is determined by the capabilities of the divider built into the RF module, the physical bandwidth of the connection via the USB interface, and the computational capabilities of the processor that processes the received samples. The proposed device provides the ability to set the value of the sampling frequency of the sample stream 16.368 or 8.184 MHz and switch it during operation. This stream through a parallel interface is fed to the input of the microcontroller. There are transmitted clock pulses from the output of one of the radio frequency modules.

Для осуществления контроля синхронности тактовых импульсов с обоих радиочастотных модулей в устройство добавлена схема исключающего ИЛИ, проверяющая их синхронность. Контроль синхронности необходим в том случае, когда частота генератора опорных колебаний радиочастотных модулей равна 16.368 МГц, а частота оцифровки потока отсчетов при помощи встроенных делителей преобразована в 8.184 МГц. В этом случае возможна несинхронность выходных тактовых импульсов. При возникновении подобной ситуации она может быть обнаружена и устройство пересинхронизировано.To monitor the synchronism of clock pulses from both RF modules, an exclusive OR circuit has been added to the device, checking their synchronism. Synchronicity control is necessary when the frequency of the generator of the reference oscillations of the RF modules is 16.368 MHz, and the frequency of digitization of the sample stream using the built-in dividers is converted to 8.184 MHz. In this case, non-synchronization of the output clock pulses is possible. In the event of a similar situation, it can be detected and the device resynchronized.

В устройство также добавлены датчики инерциальной системы, выполненной на интегральных акселерометрах и гироскопах, которые опрашиваются микроконтроллером. Микроконтроллер при помощи содержащегося в нем интерфейса USB 2.0 передает данные на внешний компьютер. Дополнительно микроконтроллер осуществляет управление радиочастотными модулями: выполняет их инициализацию, регулирует полосу пропускания фильтров, коэффициенты усиления усилителей, частоту оцифровки потока отсчетов. Программа для микроконтроллера загружается из флэш-ПЗУ, либо может быть загружена с компьютера.Sensors of an inertial system based on integrated accelerometers and gyroscopes, which are interrogated by a microcontroller, are also added to the device. The microcontroller, using the USB 2.0 interface contained therein, transfers data to an external computer. In addition, the microcontroller controls the radio-frequency modules: it initializes them, adjusts the passband of the filters, the amplification factors of the amplifiers, and the sampling frequency of the sample stream. The program for the microcontroller is downloaded from a flash ROM, or can be downloaded from a computer.

При этом флэш-ПЗУ и датчики инерциальной системы подключаются к микроконтроллеру параллельно по интерфейсу I²С.In this case, flash ROMs and inertial system sensors are connected to the microcontroller in parallel via the I ² C interface.

Краткое описание чертежаBrief Description of the Drawing

На чертеже приведена схема предлагаемой полезной модели. Программно-аппаратный ГЛОНАСС/GPS приемник содержит антенный разъем 1, малошумящий усилитель 2, делитель мощности входного сигнала 3, генератор опорного колебания радиочастотных модулей 4, радиочастотный модули GPS 5 и ГЛОНАСС 6, схему исключающего ИЛИ 7, The drawing shows a diagram of the proposed utility model. The GLONASS / GPS software / hardware receiver contains an antenna connector 1, a low-noise amplifier 2, an input signal power divider 3, a reference oscillator of radio frequency modules 4, radio frequency GPS 5 and GLONASS 6 modules, an exclusive OR 7 circuit,

микроконтроллер с интерфейсом USB 2.0 8, датчики инерциальной системы 9, генератор опорного колебания микроконтроллера 10, флэш-ПЗУ 11.microcontroller with USB 2.0 interface 8, inertial system sensors 9, reference oscillation generator of microcontroller 10, flash ROM 11.

Осуществление полезной моделиUtility Model Implementation

Программно-аппаратный ГЛОНАСС/GPS приемник работает следующим образом.The hardware-software GLONASS / GPS receiver operates as follows.

Входные навигационные сигналы через антенный разъем поступает на малошумящий усилитель, где подвергается усилению, затем поступает на делитель мощности входного сигнала, где разделяется на два сигнала, один из которых поступает на вход радиочастотного модуля GPS, а другой на вход радиочастотного модуля ГЛОНАСС. В указанных модулях осуществляется формирование квадратурного сигнала путем умножения входного сигнала радиочастотного модуля на синусную и косинусную компоненты сигнала опорного генератора. Квадратурный сигнал фильтруется фильтром и усиливается усилителем с переменным коэффициентом усиления до уровня, необходимого для работы аналого-цифрового преобразователя. Усиленный сигнал подается на вход двухканального аналого-цифрового преобразователя, на выходе которого получаются два потока оцифрованных отсчетов, соответствующих составляющим квадратурного сигнала. Разрядность каждой составляющей - 2 бита. Таким образом, разрядность выходных данных каждого радиочастотного модуля составляет 4 бита, а двух радиочастотных модулей 8 бит. Выходные данные двух радиочастотных модулей по общей параллельной шине передаются в микроконтроллер. Схема исключающего ИЛИ проверяет синхронность тактовых импульсов от обоих радиочастотных модулей. Также в микроконтроллер по интерфейсу I²С передаются данные с датчиков инерциальной системы, выполненной на интегральных акселерометрах и гироскопах. Микроконтроллер все полученные данные при помощи входящего в его состав интерфейса USB 2.0 передает на компьютер для последующей обработки оцифрованного сигнала и расчета позиции пользователя. Начальная загрузка микроконтроллера осуществляется из флэш-ПЗУ по тому же интерфейсу I²С, по которому к микроконтроллеру подключены датчики инерциальной системы, либо непосредственно с компьютера.The input navigation signals through the antenna connector are fed to a low-noise amplifier, where they are amplified, then fed to the power divider of the input signal, where it is divided into two signals, one of which is fed to the input of the GPS radio frequency module, and the other to the input of the GLONASS radio frequency module. In these modules, a quadrature signal is generated by multiplying the input signal of the radio-frequency module by the sine and cosine components of the signal of the reference generator. The quadrature signal is filtered by a filter and amplified by an amplifier with a variable gain to the level necessary for the operation of the analog-to-digital converter. The amplified signal is fed to the input of a two-channel analog-to-digital converter, at the output of which two streams of digitized samples corresponding to the components of the quadrature signal are obtained. The bit depth of each component is 2 bits. Thus, the bit depth of the output of each RF module is 4 bits, and two RF modules 8 bits. The output of the two RF modules on a common parallel bus is transmitted to the microcontroller. An exclusive OR circuit checks for synchronism of clock pulses from both RF modules. Also, data from sensors of an inertial system based on integrated accelerometers and gyroscopes are transmitted to the microcontroller via the I ² C interface. The microcontroller transfers all received data using the USB 2.0 interface included in it, to a computer for subsequent processing of the digitized signal and calculation of the user's position. The initial loading of the microcontroller is carried out from a flash ROM via the same I ² C interface, through which inertial system sensors are connected to the microcontroller, or directly from a computer.

Claims

1. A GLONASS / GPS software / hardware receiver containing an antenna connector connected to a low-noise amplifier, a GPS radio frequency module, including a reference frequency generator, a quadrature mixer, a variable-gain amplifier, an analog-to-digital converter, the output of which is a stream of digitized samples and which is connected by a parallel interface to a microcontroller that supports USB 2.0, connected to the output connector and assuming subsequent processing of digitized readings computer, and the output clock pulses of the GPS radio frequency module, gating the moment of 8-bit data acquisition via the parallel interface, are connected to the microcontroller, containing the reference oscillator of the microcontroller, connected to the microcontroller, containing a flash ROM, connected to the microcontroller and used for boot programs in the microcontroller, characterized in that an input signal power divider is added, a GLONASS radio frequency module, similar to a GPS radio frequency module, but configured received at the reception of the GLONASS signal, while the input of the power divider is connected to the output of the low-noise amplifier, the first output of the power divider is connected to the input of the GPS radio frequency module, and the second output of the power divider is connected to the input of the GLONASS radio frequency module, while the GLONASS radio frequency module is connected by a parallel interface to the microcontroller, in that each of the RF modules generates digitized samples at the output in the form of in-phase and quadrature components, with two bits each, forming an 8-bit packet, so that this package of 8 bits is transmitted via a parallel interface to the input of the microcontroller, so that the microcontroller is connected to the radio frequency modules by the lines of the input clock pulses, the choice of the module and serial data used to control the radio frequency modules, so that the microcontroller can control the radio frequency modules and change the configuration of the radio frequency modules, including the sampling frequency of the input signal, so that the output clock pulses of the GLONASS RF module do not participate in the 8-bit gating parallel interface, however, both outputs of the RF modules generating the output clock pulses are connected to the exclusive OR circuit, the output of which is connected to the microcontroller, while the synchronization of clock pulses from the radio frequency modules through the exclusive OR circuit is additionally implemented, so that the reference oscillator of the radio frequency modules, connected to the RF modules, in that the RF modules and the microcontroller are clocked by different clocks, that the microcontroller selects the frequency of digitization of the radio signal in accordance with the USB bandwidth and computer computing capabilities.

2. The software and hardware GLONASS / GPS receiver according to claim 1, characterized in that the interface based on the PCI bus is used as the interface between the receiver and the computer instead of USB.

3. The software and hardware GLONASS / GPS receiver according to claim 1, characterized in that the sensors of the inertial system made on integrated accelerometers are added, which are connected to the microcontroller in parallel with the flash ROM via the I ² C interface and which are interrogated by the microcontroller, and that information from inertial sensors is transmitted to a computer.

4. The software and hardware GLONASS / GPS receiver according to claim 3, characterized in that for the implementation of the inertial system, in addition to accelerometers, integrated gyroscopes are added that are connected to the microcontroller in parallel with a flash ROM and integrated accelerometer via the I ² C interface and which are interrogated by the microcontroller, and the fact that information from integrated gyroscopes is transmitted to a computer.

5. The software and hardware GLONASS / GPS receiver according to claim 1, characterized in that the GPS channel is simultaneously used to receive GALILEO satellite navigation system signals transmitted at the same frequency.