УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРИЕМА СИГНАЛОВ СПУТНИКОВЫХ РАДИОНАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ

Изобретение относится к области средств радионавигации и может быть использовано в приемных устройствах аппаратуры потребителей сигналов спутниковых радионавигационных систем (СРНС) ГЛОНАСС и GPS частотного диапазона L1, модулированных кодами стандартной точности.

Как известно, приемные устройства в аппаратуре потребителей сигналов СРНС выполняют функции аналогового усиления поступающих с приемной антенны сигналов СРНС, фильтрацию этих сигналов от помех, преобразование несущей частоты сигналов с понижением частоты и преобразование сигналов в цифровую форму (см., например, [1]; [2]). Выходные сигналы приемных устройств далее обрабатываются в устройствах цифровой обработки, осуществляющих поиск и слежение за сигналами СРНС, выделение служебной информации, измерение радионавигационных параметров - псевдодальностей и псевдоскоростей относительно навигационных искусственных спутников Земли (НИСЗ), излучающих сигналы СРНС, а также преобразование радионавигационных параметров в навигационные данные, например данные о текущих координатах объекта. Основными требованиями, предъявляемыми к приемным устройствам аппаратуры потребителей сигналов СРНС, являются требования по обеспечению такого преобразования сигналов, при котором не происходило бы недопустимых потерь навигационной информации, а также, в ряде случаев, требования по минимизация оборудования и энергопотребления.

Для рассматриваемого класса аппаратуры, работающей по сигналам СРНС ГЛОНАСС и GPS (далее - сигналы ГЛОНАСС и GPS), сложность выполнения указанных требований обусловлена, в частности, тем, что сигналы ГЛОНАСС и GPS различаются своими частотными диапазонами, модулирующими кодами, а также принципами, положенными в основу разделения сигналов, излучаемых разными НИСЗ (см., например, [2, с.28-30, 32-37]; [3]).

Так, в СРНС GPS для идентификации сигналов, излучаемых различными НИСЗ, используется кодовое разделение сигналов, при этом значение несущей частоты в частотном диапазоне L1 составляет 1575,42 МГц, а частотная полоса, определенная в рассматриваемом случае по четырем нулям спектра в условиях модуляции "С/А" кодом (кодом стандартной точности) с тактовой частотой 1,023 МГц, лежит в диапазоне 1571,328÷1579,512 МГц.

В отличие от СРНС GPS в СРНС ГЛОНАСС для идентификации сигналов, излучаемых различными НИСЗ, используется частотное разделение сигналов, где номиналы литерных (несущих) частот формируются по правилу:

f_i=f₀+iΔf,

где: f_i - номинал литерной частоты;

f₀ - нулевая литерная частота (для рассматриваемого частотного диапазона L1 нулевая литерная частота имеет значение f₀=1602 МГц);

i - номер литеры (в рассматриваемом случае диапазон литерных частот составляет от i=-7 до i=4);

Δf - интервал между литерными частотами (для рассматриваемого частотного диапазона L1 интервал между соседними литерными частотами составляет величину Δf=0,5625 МГц).

В рассматриваемом случае диапазона литерных частот от i=-7 до i=4, имеющем важное практическое значение, частотная полоса сигналов ГЛОНАСС диапазона L1, определенная по двум нулям спектра крайних литерных частот при модуляции "СТ" кодом (кодом стандартной точности) с тактовой частотой 0,511 МГц, составляет 1597,0405÷1605,272 МГц, при этом для литерных частот от i=-6 до i=3 в спектре сигналов сохраняется по три и более боковых лепестка, что позволяет обеспечить слежение за кодом сигнала в так называемом "узком корреляторе" ("narrow correlator"), см., например, [4].

Для рассматриваемого класса приемных устройств, работающих по сигналам ГЛОНАСС и GPS, типичным является применение супергетеродинной схемы с двойным преобразованием частоты.

Например, известны одноканальные устройства для приема сигналов ГЛОНАСС/GPS, описанные в [5]; [6]; [7]. В этих устройствах радиочастотный тракт, осуществляющий преобразование сигналов по частоте, выполнен в виде двух последовательно соединенных преобразователей частоты, каждый из которых содержит соответствующие смеситель и фильтр-усилитель, при этом опорные входы смесителей подключены к соответствующим выходам формирователя гетеродинных сигналов. Формирователь гетеродинных сигналов представляет собой переключаемый синтезатор частот, обеспечивающий формирование соответствующих гетеродинных сигналов для преобразования сигналов ГЛОНАСС или GPS. Переключение формирователя гетеродинных сигналов с режима ГЛОНАСС на режим GPS осуществляется под действием управляющих сигналов, формируемых, например, навигационным процессором. Тем самым реализуется переключаемый (мультиплексный) режим работы по приему сигналов ГЛОНАСС или GPS.

Рассмотренные одноканальные устройства [5]-[7], работающие по сигналам ГЛОНАСС/GPS, имеют достоинства и недостатки. К достоинствам относится возможность реализации оптимальных (с точки зрения минимизации потерь навигационной информации) частотных планов преобразования сигналов, а также возможность независимой работы по сигналам одной из систем ГЛОНАСС или GPS в случае, когда работа по сигналам другой системы затруднена из-за наличия в ее частотной полосе мощной внутрисистемной помехи. К недостаткам можно отнести сложность гетеродинного оборудования, а также невозможность осуществления одновременной работы по сигналам обеих систем ГЛОНАСС и GPS.

Известны устройства для приема сигналов ГЛОНАСС и GPS, в которых обеспечивается возможность одновременного (параллельного) преобразования сигналов обеих систем ГЛОНАСС и GPS (см., например, [8, фиг.3] [9, фиг.4]). Эти устройства позволяют реализовать работу одновременно по сигналам двух систем ГЛОНАСС и GPS или альтернативную работу по сигналам одной из систем ГЛОНАСС или GPS в зависимости от конкретной помеховой обстановки - отсутствия или наличия внутрисистемной помехи в частотной полосе сигналов одной из систем ГЛОНАСС или GPS.

Устройства для приема сигналов ГЛОНАСС и GPS, представленные в [8] и [9], имеют общий для сигналов ГЛОНАСС и GPS канал первого преобразования частоты и два индивидуальных канала второго преобразования частоты сигналов GPS и ГЛОНАСС. Канал первого преобразования частоты сигналов ГЛОНАСС и GPS (группового сигнала ГЛОНАСС и GPS) содержит входной фильтр и первый смеситель. Канал второго преобразования сигналов GPS содержит фильтр первой промежуточной частоты сигналов GPS, второй смеситель с фильтром второй промежуточной частоты сигналов GPS и первое пороговое устройство, реализующее функцию двухбитового квантователя по уровню. Канал второго преобразования сигналов ГЛОНАСС содержит фильтр первой промежуточной частоты сигналов ГЛОНАСС, третий смеситель с фильтром второй промежуточной частоты сигналов ГЛОНАСС и второе пороговое устройство, реализующее функцию двухбитового квантователя по уровню. Опорные входы первого, второго и третьего смесителей подключены к соответствующим выходам формирователя сигналов тактовой и гетеродинных частот, который синтезирует сигналы трех гетеродинных частот (первой гетеродинной частоты для первого частотного преобразования группового сигнала ГЛОНАСС и GPS, второй гетеродинной частоты для второго частотного преобразования сигналов GPS и третьей гетеродинной частоты для второго частотного преобразования сигналов ГЛОНАСС), а также сигнал тактовой частоты, который задает частоту дискретизации по времени при осуществлении последующей цифровой обработки сигналов в многоканальном цифровом корреляторе и навигационном процессоре. Характерной особенностью устройств, представленных в [8] и [9], является то, что в них реализован аппаратный принцип разделения сигналов ГЛОНАСС и GPS на этапе второго частотного преобразования. Это требует соответствующих технических средств, в частности средств фильтрации, обеспечивающих разделение по индивидуальным каналам сигналов ГЛОНАСС и GPS, и средств формирования индивидуальных гетеродинных сигналов для преобразования по отдельности сигналов ГЛОНАСС и GPS, что усложняет оборудование.

Более простое оборудование имеет устройство для приема сигналов ГЛОНАСС и GPS, описанное в [10], в котором групповой сигнал ГЛОНАСС и GPS на этапе второго частотного преобразования преобразуется в квадратурные сигналы, последующее разделение которых на сигналы, относящиеся к системам ГЛОНАСС и GPS, осуществляется на этапах цифровой обработки.

Функционально законченная часть устройства для приема сигналов ГЛОНАСС и GPS, описанного в [10], относящаяся к приему сигналов ГЛОНАСС и GPS частотного диапазона L1, принята в качестве прототипа.

Устройство-прототип содержит последовательно соединенные входной блок усиления и фильтрации, полоса пропускания которого охватывает частотную полосу, занимаемую сигналами ГЛОНАСС и GPS частотного диапазона L1, смеситель, служащий для первого частотного преобразования, блок усиления и фильтрации сигналов промежуточной частоты, состоящий из усилителя и фильтра промежуточной частоты, и квадратурный смеситель, к синфазному выходу которого подключены последовательно соединенные первый фильтр нижней частоты (ФНЧ) и первый аналого-цифровой преобразователь (АЦП), а к квадратурному выходу - последовательно соединенные второй ФНЧ и второй АЦП, при этом ФНЧ выполнены так, что их полосы пропускания охватывают частотные полосы преобразованных в квадратурном смесителе сигналов ГЛОНАСС и GPS.

Устройство-прототип также содержит формирователь сигнала гетеродинной частоты и формирователь сигнала тактовой частоты, каждый из которых выполнен в виде синтезатора частоты.

Выход формирователя сигнала гетеродинной частоты соединен с опорным входом смесителя, служащего для первого частотного преобразования, а кроме этого - через делитель частоты "на восемь" - с опорным входом квадратурного смесителя.

Выход формирователя сигнала тактовой частоты соединен с опорными входами первого и второго АЦП.

Квадратурный смеситель содержит первый и второй смесители, а также фазовращатель "на 90°". Сигнальные входы первого и второго смесителей соединены между собой и образуют сигнальный вход квадратурного смесителя. Опорный вход первого смесителя и вход фазовращателя "на 90°" соединены между собой и образуют опорный вход квадратурного смесителя. Выход фазовращателя "на 90°" соединен с опорным входом второго смесителя. Выход первого смесителя образует синфазный выход квадратурного смесителя. Выход второго смесителя образует квадратурный выход квадратурного смесителя.

Устройство-прототип работает следующим образом.

Входные сигналы ГЛОНАСС и GPS частотного диапазона L1 поступают (в виде группового сигнала) на вход входного блока усиления и фильтрации, где усиливаются и фильтруются от внесистемных помех.

С выхода входного блока усиления и фильтрации усиленный и отфильтрованный групповой сигнал ГЛОНАСС и GPS поступает на сигнальный вход смесителя, служащего для первого частотного преобразования, на опорный вход которого с выхода формирователя сигнала гетеродинной частоты поступает гетеродинный сигнал с частотой f_Г1. В рассмотренном в [10] случае, относящемся к приему сигналов GPS, модулированных кодом повышенной точности ("Р" код), и сигналов ГЛОНАСС с литерными частотами от "-7" до "24", модулированных кодом повышенной точности ("ВТ" код), спектр входного группового сигнала ГЛОНАСС и GPS находится в пределах области частот 1565,19÷1620,61 МГц, а значение гетеродинной частоты составляет f_Г1=1415 МГц, что вне и ниже этой области ([10, фиг.6б, 6г]).

В результате первого частотного преобразования спектр преобразованного группового сигнала ГЛОНАСС и GPS смещается в область частот 150,19÷205,61 МГц, при этом спектр преобразованных сигналов GPS занимает полосу частот 150,19÷170,65 МГц, а спектр преобразованных сигналов ГЛОНАСС - полосу частот 177,9525÷205,61 МГц ([10, фиг.7а]).

Далее преобразованный таким образом групповой сигнал ГЛОНАСС и GPS через блок усиления и фильтрации сигналов промежуточной частоты поступает на сигнальный вход квадратурного смесителя, на опорный вход которого с выхода делителя частоты "на восемь" поступает сигнал второй гетеродинной частоты f_Г2=f_Г1/8=176,875 МГц, располагающейся в промежутке между указанными частотными полосами преобразованных сигналов GPS и ГЛОНАСС (150,19÷170,65 МГц и 177,9525÷205,61 МГц).

В квадратурном смесителе осуществляется второе частотное преобразование группового сигнала ГЛОНАСС с одновременным разделением его на две квадратурные составляющие - синфазную (синусоидальную) "I" и квадратурную (косинусоидальную) "Q". В результате второго частотного преобразования спектр преобразованного группового сигнала ГЛОНАСС и GPS, представленный двумя квадратурными составляющими, смещается в область частот 1,0775÷28,735 МГц, при этом спектр сигналов ГЛОНАСС занимает полосу частот 1,0775÷28,735 МГц, а спектр сигналов GPS - полосу частот 6,225÷26,685 МГц, т.е. частотные полосы преобразованных таким образом сигналов ГЛОНАСС и GPS перекрываются ([10, фиг.8а]).

Далее синфазная составляющая преобразованного группового сигнала ГЛОНАСС и GPS фильтруется в первом ФНЧ и преобразуется в цифровую форму посредством первого АЦП, а квадратурная составляющая преобразованного группового сигнала ГЛОНАСС и GPS фильтруется во втором ФНЧ и преобразуется в цифровую форму посредством второго АЦП.

Значение тактовой частоты, определяющее частоту дискретизации по времени при аналого-цифровом преобразовании синфазной и квадратурной составляющих группового сигнала ГЛОНАСС и GPS, выбирается в устройстве-прототипе исходя из известного правила, устанавливающего соотношение между периодом дискретизации и спектром преобразуемого сигнала (см., например, [11]; [12]). В соответствии с этим правилом для минимизации потерь информации при преобразовании широкополосного сигнала из аналоговой формы в цифровую квадратурным методом значение частоты дискретизации по времени должно выбираться не меньше, чем удвоенная частотная полоса (0÷f_max), в которой располагается спектр преобразуемого сигнала. В устройстве-прототипе спектр преобразуемых в цифровую форму синфазной и квадратурной составляющих группового сигнала ГЛОНАСС и GPS располагается в частотной полосе 0÷f_max, где f_max=28,735 МГц ([10, фиг.8а]), что определяет выбор значения тактовой частоты f_т≅57,0 МГц.

С выходов АЦП преобразованные в цифровую форму синфазная и квадратурная составляющие группового сигнала ГЛОНАСС и GPS поступают на выход устройства для последующей обработки в цифровом корреляторе и навигационном процессоре, при этом при указанном выборе значения тактовой частоты обеспечивается возможность беспрепятственного разделения сигналов по системам ГЛОНАСС и GPS и их цифровой корреляционной обработки с получением навигационной информации.

Таким образом, в устройстве-прототипе с помощью более простого (по сравнению с аналогами [8] и [9]) оборудования обеспечивается усиление группового сигнала ГЛОНАСС и GPS частотного диапазона L1, фильтрация его от внесистемных помех и последующее преобразование по частоте с формированием квадратурных составляющих, а затем преобразование квадратурных составляющих в цифровую форму. При этом, при указанном выборе значения тактовой частоты обеспечивается возможность последующего разделения сигналов по системам ГЛОНАСС и GPS и их цифровой корреляционной обработки с получением навигационной информации.

Основным недостатком устройства-прототипа является то, что его работоспособность и достижение результата в полной мере возможны лишь в условиях благоприятной помеховой обстановки, а именно в условиях отсутствия в частотной полосе сигналов любой из систем ГЛОНАСС или GPS внутрисистемной помехи. Дело в том, что в результате частотного преобразования сигналов ГЛОНАСС и GPS в квадратурном смесителе, как было показано выше, возникает перекрытие их частотных полос, что приводит к тому, что внутрисистемная помеха, находившаяся исходно в частотной полосе сигналов одной из систем ГЛОНАСС или GPS, после частотного преобразования будет располагаться в частотных полосах сигналов обеих систем, поражая уже не один сигнал одной системы, а оба сигнала обеих систем. В реальных условиях (конечное подавление зеркального канала при квадратурной обработке сигнала, см., например, [13]) это приводит к тому, что начиная с определенной мощности внутрисистемной помехи технические средства цифрового коррелятора и навигационного процессора, призванные выделять из выходных сигналов устройства сигналы отдельных систем ГЛОНАСС и GPS и осуществлять их обработку с получением навигационной информации, оказываются не в состоянии осуществить корректно ни это разделение, ни эту обработку, что может приводить к появлению недопустимых ошибок, срыву слежения за сигналами или другим негативным последствиям.

Другим недостатком устройства-прототипа является высокое значение тактовой частоты (f_т≅57,0 МГц), что негативно влияет на энергетические характеристики АЦП и последующих устройств, осуществляющих цифровую корреляционную обработку сигналов (чем выше тактовая частота, тем выше энергопотребление), а также избыточность оборудования, обусловленная используемой схемой двойного преобразования частоты.

Указанные недостатки имеют место и для случая приема устройством-прототипом сигналов GPS, модулированных "С/А" кодом, и сигналов ГЛОНАСС с литерными частотами от i=-7 до i=4, модулированных "СТ" кодом (в этом случае тактовая частота должна быть не менее 34 МГц).

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание устройства для приема сигналов ГЛОНАСС и GPS, реализующего, как и в прототипе, принцип квадратурного преобразования сигналов с помощью квадратурного смесителя, при этом характеризующегося более простым оборудованием и более низкой тактовой частотой (частотой дискретизации) аналого-цифрового преобразования, а также возможностью работать в условиях наличия внутрисистемной помехи, располагающейся в частотном диапазоне сигналов одной из систем ГЛОНАСС или GPS. Задача решается за счет перехода к схеме с однократным преобразованием частоты на основе квадратурного смесителя и предложенного выбора значений гетеродинной и тактовой частот, обеспечивающего отсутствие перекрытий спектров дискретизированных по времени сигналов ГЛОНАСС и GPS. Задача решается для случая приема сигналов ГЛОНАСС частотного диапазона L1 с литерными частотами от "минус 7" до "4", модулированных "СТ" кодом, и сигналов GPS частотного диапазона L1, модулированных "С/А" кодом.

Сущность изобретения заключается в следующем. Устройство для приема сигналов СРНС содержит входной блок усиления и фильтрации, полоса пропускания которого охватывает частотную полосу, занимаемую входными сигналами ГЛОНАСС и GPS частотного диапазона L1, квадратурный смеситель, опорный вход которого соединен с выходом формирователя сигнала гетеродинной частоты, а синфазный и квадратурный выходы соединены соответственно с входами первого и второго ФНЧ, полоса пропускания каждого из которых охватывает частотные полосы преобразованных в квадратурном смесителе сигналов, а также первый и второй АЦП, опорные входы которых соединены с выходом формирователя сигнала тактовой частоты. В отличие от прототипа, сигнальный вход квадратурного смесителя соединен с выходом входного блока усиления и фильтрации, выход первого ФНЧ соединен с сигнальным входом первого АЦП через первый режекторный фильтр (РФ), а выход второго ФНЧ соединен с сигнальным входом второго АЦП через второй РФ. При этом формирователь сигнала гетеродинной частоты выполнен в виде синтезатора частоты, формирующего на своем выходе сигнал с частотой, соответствующей центру частотной полосы входного сигнала GPS, каждый из РФ имеет полосу режекции, располагающуюся между частотными полосами преобразованных в квадратурном смесителе сигналов ГЛОНАСС и GPS, а формирователь сигнала тактовой частоты выполнен в виде синтезатора частоты, формирующего на своем выходе сигнал с частотой, удовлетворяющей условиям:

f_т≥max(W_GPS, W_GLONASS);

где: f_т - тактовая частота;

W_GPS - ширина частотной полосы преобразованных в квадратурном смесителе сигналов GPS;

W_GLONASS - ширина частотной полосы преобразованных в квадратурном смесителе сигналов ГЛОНАСС;

Δf - разность частот между центрами частотных полос преобразованных в квадратурном смесителе сигналов ГЛОНАСС и GPS.

Сущность изобретения и возможность его промышленного использования поясняются чертежами, представленными на фиг.1-5, где:

на фиг.1 представлена структурная схема заявляемого устройства в рассматриваемом примере выполнения;

на фиг.2 - частотная диаграмма, поясняющая распределение частотных полос в спектрах входных сигналов ГЛОНАСС и GPS для рассматриваемого случая приема сигналов ГЛОНАСС частотного диапазона L1 с литерными частотами от "минус 7" до "4", модулированных "СТ" кодом, и сигналов GPS частотного диапазона L1, модулированных "С/А" кодом (представлена только область положительных частот спектра);

на фиг.3 - частотная диаграмма, поясняющая распределение частотных полос в спектрах синфазной и квадратурной составляющих сигналов ГЛОНАСС и GPS на выходах квадратурного смесителя (представлены области положительных и отрицательных частот спектра);

на фиг.4 - пример расположения частотных полос ФНЧ и РФ;

на фиг.5 - частотная диаграмма, поясняющая распределение частотных полос в спектре дискретизированных по времени сигналов ГЛОНАСС и GPS (представлены области положительных и отрицательных частот спектра).

Заявляемое устройство для приема сигналов СРНС (далее устройство) содержит, см. фиг.1, входной блок 1 усиления и фильтрации, полоса пропускания которого охватывает частотную полосу, занимаемую входными сигналами ГЛОНАСС и GPS частотного диапазона L1. В рассматриваемом примере входной блок 1 усиления и фильтрации состоит из соединенных последовательно полосового фильтра 2 и усилителя 3, при этом вход полосового фильтра 2 и выход усилителя 3 образуют соответственно вход и выход данного блока.

Выход входного блока 1 усиления и фильтрации, т.е. выход усилителя 3, соединен с сигнальным входом квадратурного смесителя 4, к синфазному выходу которого подключены последовательно соединенные первый ФНЧ 5, первый РФ 6 и первый ЛЦП 7, а к квадратурному выходу - последовательно соединенные второй ФНЧ 8, второй РФ 9 и второй АЦП 10.

Устройство также содержит формирователь 11 сигнала гетеродинной частоты, выход которого подключен к опорному входу квадратурного смесителя 4, и формирователь 12 сигнала тактовой частоты, выход которого подключен к опорным входам АЦП 7 и 10.

Квадратурный смеситель 4 содержит первый 13 и второй 14 смесители, а также фазовращатель 15 "на 90°". Сигнальные входы первого 13 и второго 14 смесителей соединены между собой и образуют сигнальный вход квадратурного смесителя 4. Опорный вход первого смесителя 13 и вход фазовращателя 15 "на 90°" соединены между собой и образуют опорный вход квадратурного смесителя 4. Выход фазовращателя 15 "на 90°" соединен с опорным входом второго смесителя 14. Выход первого смесителя 13 образует синфазный ("I") выход квадратурного смесителя 4. Выход второго смесителя 14 образует квадратурный ("Q") выход квадратурного смесителя 4.

Формирователь 11 сигнала гетеродинной частоты выполнен в виде синтезатора частоты, формирующего на своем выходе сигнал с частотой, соответствующей центру частотной полосы входного сигнала GPS - сигнала GPS частотного диапазона L1, модулированного "С/А" кодом с тактовой частотой 1,023 МГц.

ФНЧ 5 и 8 имеют полосы пропускания, охватывающие частотные полосы преобразованных в квадратурном смесителе 4 сигналов ГЛОНАСС и GPS.

РФ 6 и 9 имеют полосы режекции, располагающиеся между частотными полосами преобразованных в квадратурном смесителе сигналов ГЛОНАСС и GPS.

Формирователь 12 сигнала тактовой частоты выполнен в виде синтезатора частоты, формирующего на своем выходе сигнал с частотой, удовлетворяющей условиям:

f_т≥max(W_GPS, W_GLONASS);

где: f_т - тактовая частота;

W_GPS - ширина частотной полосы преобразованных в квадратурном смесителе 4 сигналов GPS;

W_GLONASS - ширина частотной полосы преобразованных в квадратурном смесителе 4 сигналов ГЛОНАСС;

Δf - разность частот между центрами частотных полос преобразованных в квадратурном смесителе 4 сигналов ГЛОНАСС и GPS.

Устройство работает следующим образом.

На вход устройства поступают принятые входной антенной (на фиг.1 не показана) сигналы ГЛОНАСС и GPS частотного диапазона L1, а именно сигналы GPS, модулированные "С/А" кодом с тактовой частотой 1,023 МГц, и сигналы ГЛОНАСС с литерными частотами от "минус 7" до "4", модулированные "СТ" кодом с тактовой частотой 0,511 МГц, занимающие соответственно полосы частот 1571,328÷1579,512 МГц и 1597,0405÷1605,272 МГц. Частотная диаграмма, поясняющая распределение частотных полос в спектрах входных сигналов ГЛОНАСС и GPS для рассматриваемого случая, представлена на фиг.2 (для упрощения диаграммы показана только область положительных частот спектра).

Эти входные сигналы, представляющие в совокупности групповой сигнал ГЛОНАСС и GPS, поступают на вход входного блока 1 усиления и фильтрации, полоса пропускания которого, определяемая полосой пропускания полосового фильтра 2, охватывает частотную полосу 1571,328÷1605,272 МГц.

Во входном блоке 1 усиления и фильтрации указанный групповой сигнал ГЛОНАСС и GPS фильтруется от внеполосных помех посредством полосового фильтра 2 и усиливается посредством усилителя 3 до уровня, обеспечивающего возможность его последующего преобразования в квадратурном смесителе 4.

Отфильтрованный от помех и усиленный групповой сигнал ГЛОНАСС и GPS с выхода входного блока 1 усиления и фильтрации, т.е. с выхода усилителя 3, поступает на сигнальный вход квадратурного смесителя 4, т.е. на сигнальные входы смесителей 13 и 14.

На опорный вход квадратурного смесителя 4 с выхода формирователя 11 сигнала гетеродинной частоты поступает гетеродинный сигнал, частота f_г которого соответствует центру частотной полосы входного сигнала GPS. В рассматриваемом случае значение частоты гетеродинного сигнала выбрано равным f_г=1575,42 МГц, что соответствует значению несущей частоты входного сигнала GPS и находится точно в центре частотной полосы входного сигнала GPS (фиг.2). В общем случае значение частоты гетеродинного сигнала может быть выбрано в диапазоне 1575,42±1 МГц исходя из удобства синтеза (в этом случае указанные ниже по тексту, а также на фиг.3-5 значения частот преобразованных сигналов должны быть соответствующим образом откорректированы).

В квадратурном смесителе 4 гетеродинный сигнал (в рассматриваемом случае гетеродинный сигнал с частотой f_г=1575,42 МГц) поступает на опорный вход смесителя 13 непосредственно, а на опорный вход смесителя 14 - через фазовращатель 15 "на 90°", обеспечивая разделение входного группового сигнала ГЛОНАСС и GPS на две квадратурные составляющие (синфазную и квадратурную) с одновременным преобразованием частоты. При этом, поскольку частота гетеродинного сигнала соответствует центру частотной полосы входного сигнала GPS, то спектр преобразованного в квадратурном смесителе 4 группового сигнала ГЛОНАСС и GPS приобретает специфический вид, характеризующийся тем, что он располагается симметрично "нулевой" частоте, при этом частотные полосы спектра сигналов ГЛОНАСС (от минус 29,852 МГц до минус 21,6205 МГц и от 21,6205 МГц до 29,852 МГц с шириной W_GLONASS=8,2315 МГц) не перекрываются с частотной полосой спектра сигналов GPS (от минус 4,092 МГц до 4,092 МГц с шириной W_GPS=8,184 МГц), а центры этих частотных полос отстоят друг от друга на величину Δf≅25,736 МГц. Такой спектр будет как на синфазном ("I") выходе квадратурного смесителя 4, так и на его квадратурном ("Q") выходе. Частотная диаграмма, поясняющая указанное распределение частотных полос в спектрах синфазной и квадратурной составляющих сигналов ГЛОНАСС и GPS на выходах квадратурного смесителя для рассматриваемого случая с учетом положительных и отрицательных частот, представлена на фиг.3. Более привычное изображение спектра этих же сигналов, учитывающее только положительные частоты, приведено на фиг.4.

Далее синфазная составляющая преобразованного группового сигнала ГЛОНАСС и GPS отфильтровывается от побочных продуктов преобразования, внеполосных шумов и помех с помощью ФНЧ 5 и РФ 6, а квадратурная составляющая отфильтровывается от побочных продуктов преобразования, внеполосных шумов и помех с помощью ФНЧ 8 и РФ 9. При этом полосы пропускания ФНЧ 5 и 8 охватывают частотные полосы преобразованных в квадратурном смесителе 4 сигналов ГЛОНАСС и GPS, а полосы режекции РФ 6 и 9 располагаются между частотными полосами преобразованных в квадратурном смесителе 4 сигналов ГЛОНАСС и GPS. Например, полоса пропускания каждого из ФНЧ 5 и 8 составляет 29,86 МГц, а полоса режекции каждого из РФ 6 и 9 составляет 17,53 МГц с центром на частоте 12,856 МГц (фиг.4). В результате рассмотренной фильтрации синфазная и квадратурная составляющие преобразованных сигналов ГЛОНАСС и GPS очищаются от побочных продуктов преобразования, внеполосных шумов и помех, что предотвращает образование соответствующих комбинационных помех при последующем преобразовании сигналов в цифровую форму.

С выходов РФ 6 и 9 отфильтрованные указанным образом синфазная и квадратурная составляющие группового сигнала ГЛОНАСС и GPS поступают на сигнальные входы АЦП 7 и 10, где преобразуются в цифровую форму, после чего преобразованные в цифровую форму квадратурные составляющие группового сигнала ГЛОНАСС и GPS поступают на выход устройства для последующей обработки в цифровом корреляторе и навигационном процессоре, которые, в частности, осуществляют разделение сигналов по системам ГЛОНАСС и GPS, слежение за сигналами, измерение радионавигационных параметров и вычисление навигационных данных.

Преобразование в цифровую форму квадратурных составляющих группового сигнала ГЛОНАСС и GPS в АЦП 7 и 10 осуществляется с частотой дискретизации, определяемой частотой f_т тактового сигнала, поступающего на опорные входы АЦП 7 и 10 с выхода формирователя 12 сигнала тактовой частоты. Для исключения взаимных перекрытий спектров у дискретизируемых по времени сигналов ГЛОНАСС и GPS, приводящих к потере информации при осуществлении аналого-цифрового преобразования, значение тактовой частоты f_т выбирается в соответствии с вышеуказанными условиями: f_т≥max(W_GPS, W_GLONASS);

В рассматриваемом случае, когда W_GPS=8,184 МГц, W_GLONASS=8,2315 МГц, Δf=25,736 МГц, одним из возможных значений тактовой частоты f_т, удовлетворяющим всем этим условиям, а именно условиям f_т≥8,2315 МГц, f_т≤17,528 МГц, f_т≥16,972 МГц, f_т≅17,157 МГц, является, например, выбранное значение тактовой частоты f_т=17,2 МГц.

Выбранное таким образом значение тактовой частоты f_т=17,2 МГц ниже значения тактовой частоты в устройстве-прототипе, выбираемого исходя из удвоенной полосы частот, в которую попадает спектр преобразованного группового сигнала ГЛОНАСС и GPS на синфазном и квадратурном выходах квадратурного смесителя (как было указано выше в устройстве-прототипе при приеме сигналов GPS, модулированных "Р" кодом, и сигналов ГЛОНАСС с литерными частотами от i=-7 до i=24, модулированных "ВТ" кодом, тактовая частота составляет 57 МГц, а в случае приема сигналов GPS, модулированных "С/А" кодом, и сигналов ГЛОНАСС с литерными частотами от i=-7 до i=4, модулированных "СТ" кодом, тактовая частота должна быть не менее 34 МГц). Снижение тактовой частоты в заявляемом устройстве положительно сказывается на энергетических характеристиках АЦП 7 и 10, а также на энергетических характеристиках последующих устройств, осуществляющих цифровую корреляционную обработку сигналов.

Указанный выбор тактовой частоты обеспечивает взаимный разнос спектров у дискретизируемых по времени сигналов ГЛОНАСС и GPS, что исключает потери информации при осуществлении аналого-цифрового преобразования, а кроме этого позволяет осуществлять навигационные измерения по сигналам одной из систем ГЛОНАСС или GPS в случае, когда использование сигналов другой системы невозможно из-за наличия в ее частотной полосе мощной внутрисистемной помехи.

Эффект взаимного разноса спектров у дискретизируемых по времени сигналов ГЛОНАСС и GPS (представленных соответствующими квадратурными составляющими) при указанном выборе тактовой частоты (частоты дискретизации по времени) можно проиллюстрировать, например, рассмотрев аналитические выражения для этих спектров.

Так, в соответствии с положениями известных работ, например, [14]; [15], а также [12], спектр группового сигнала ГЛОНАСС и GPS на синфазном ("I") и квадратурном ("Q") выходах квадратурного смесителя можно описать через спектр огибающих в следующем виде:

где: Δω - разность частот между центрами спектральных полос диапазонов ГЛОНАСС и GPS;

Х₁(ω), Y₁(ω) - спектры квадратурных составляющих низкочастотной огибающей сигнала GPS;

Х₂(ω), Y₂(ω) - спектры квадратурных составляющих низкочастотной огибающей сигнала ГЛОНАСС.

Переходя далее к спектру дискретизированного по времени группового сигнала ГЛОНАСС и GPS (в соответствии, например, с [12]) видно, что выражение для спектра этого сигнала содержит члены суммы по n, обусловленные частотой дискретизации , т.е. в результате дискретизации по времени спектр исходного группового сигнала ГЛОНАСС и GPS "размножается" с шагом, равным частоте дискретизации:

где: G_I(ω), G_Q(ω) - синфазная и квадратурная составляющие дискретизированного по времени группового сигнала ГЛОНАСС и GPS;

S_I(ω), S_Q(ω) - преобразования Фурье синфазной и квадратурной составляющих интерполирующей функции ("sampling function" в [12]);

- частота дискретизации в радианах.

Графическая интерпретация представленных выражений для G_I(ω) и G_Q(ω), схематически поясняющая распределение частотных полос в спектре дискретизированных по времени сигналов ГЛОНАСС и GPS применительно к рассматриваемому случаю преобразования сигналов ГЛОНАСС частотного диапазона L1 с литерными частотами от "минус 7" до "4", модулированных "СТ" кодом, и сигналов GPS частотного диапазона L1, модулированных "С/А" кодом, при выборе частоты дискретизации (тактовой частоты) f_т=17,2 МГц исходя из вышеуказанных условий, учитывающих ширину частотных полос преобразованных в квадратурном смесителе 4 сигналов ГЛОНАСС и GPS и разность между их центрами, дана на фиг.5.

Особенностью спектра дискретизированных по времени сигналов ГЛОНАСС и GPS, представленного на фиг.5, является наличие между "нулевыми" (n=0) зонами спектра дискретизированных по времени сигналов, относящихся к ГЛОНАСС и GPS, по одной дополнительной зоне спектра этих же сигналов. Так, в области положительных частот между "нулевыми" (n=0) зонами спектра дискретизированных по времени сигналов, относящихся к ГЛОНАСС и GPS, расположены "минус первая" (n=-1) зона спектра дискретизированных по времени сигналов, относящихся к GPS, и "минус вторая" (n=-2) зона спектра дискретизированных по времени сигналов, относящихся к ГЛОНАСС. В рассматриваемом случае эти зоны между собой не перекрываются, а именно верхний (21,29 МГц) и нижний (13,11 МГц) края спектра "минус первой" (n=-1) зоны дискретизированных по времени сигналов, относящихся к GPS, не заходят, соответственно, за нижний (21,62 МГц) край спектра "нулевой" (n=0) зоны дискретизированных по времени сигналов, относящихся к ГЛОНАСС, и верхний (12,78 МГц) край спектра "минус второй" (n=-2) зоны дискретизированных по времени сигналов, относящихся к ГЛОНАСС, а нижний (4,54 МГц) край спектра "минус второй" (n=-2) зоны дискретизированных по времени сигналов, относящихся к ГЛОНАСС, не заходит за верхний (4,092 МГц) край спектра "нулевой" (n=0) зоны дискретизированных по времени сигналов, относящихся к GPS. Аналогичные соотношения между крайними частотами "нулевой", "первой" и "второй" зон спектра дискретизированных по времени сигналов, относящихся к ГЛОНАСС и GPS, имеют место и в области отрицательных частот. Такое расположение зон спектра дискретизированных по времени сигналов, относящихся к ГЛОНАСС и GPS, исключает взаимные искажения сигналов и обусловленные ими потери информации. Кроме того, внутрисистемная помеха, находящаяся в частотной полосе сигналов одной из систем ГЛОНАСС или GPS, в результате рассмотренной дискретизации квадратурных составляющих группового сигнала ГЛОНАСС и GPS с указанной тактовой частотой оказывается сосредоточенной в n зонах спектра, относящихся к этой системе, но не попадает в зоны спектра, относящиеся к другой системе.

Таким образом, заявляемое устройство осуществляет прием группового сигнала ГЛОНАСС и GPS частотного диапазона L1, обеспечивая его усиление и фильтрацию, однократное преобразование по частоте с формированием квадратурных составляющих и преобразование квадратурных составляющих в цифровую форму без потери информации. При этом по сравнению с прототипом результат достигается на более простом оборудовании, обусловленном применением схемы с однократным преобразованием частоты, и при более низкой тактовой частоте (частоте дискретизации), что уменьшает энергопотребление АЦП и последующих устройств, осуществляющих цифровую корреляционную обработку сигналов. Кроме того, при предложенном выборе значений гетеродинной и тактовой частот обеспечивается отсутствие взаимных перекрытий спектров у дискретизированных по времени сигналов ГЛОНАСС и GPS, что исключает воздействие внутрисистемной помехи, располагающейся в частотном диапазоне сигналов одной из систем ГЛОНАСС или GPS, на сигналы другой системы. Это позволяет реализовать навигационные измерения либо по сигналам обеих систем ГЛОНАСС и GPS, либо по сигналам одной из этих систем в зависимости от конкретной помеховой обстановки - отсутствия или наличия внутрисистемной помехи в частотной полосе сигналов одной из этих систем.

Из рассмотренного следует, что заявляемое изобретение технически осуществимо и решает поставленную задачу по созданию устройства для приема сигналов ГЛОНАСС и GPS, реализующего, как и в прототипе, принцип квадратурного преобразования сигналов с помощью квадратурного смесителя, при этом отличающегося от него более простым оборудованием и более низкой тактовой частотой (частотой дискретизации) аналого-цифрового преобразования, а также возможностью работать в условиях наличия внутрисистемной помехи, располагающейся в частотном диапазоне сигналов одной из систем ГЛОНАСС или GPS.

Источники информации

1. Глобальная спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС / Под ред. В.Н.Харисова, А.И.Перова, В.А.Болдина // М., ИПРЖР, 1998 (с.187-192, рис.12.4).

2. Сетевые спутниковые радионавигационные системы / B.C.Шебшаевич, П.П.Дмитриев, Н.В.Иванцевич и др. // М., Радио и связь, 1993 (с.28-30, 32-37, 158-161, рис.9.8).

3. Бортовые устройства спутниковой радионавигации / И.В.Кудрявцев, И.Н.Мищенко, А.И.Волынкин и др. // М., Транспорт, 1988 (с.13-15).

4. M.S.Braasch and A.J. Van Direndock. GPS receiver architectures and measurements. Proseedings of the IEEE, Vol.87, No.1, January 1999.

5. EP №0523938 (A1), H 03 D 7/16, G 01 S 5/14, опубл. 20.01.1993.

6. US №5606736, Н 04 В 1/26, опубл. 25.02.1997.

7. US №5832375, Н 04 В 1726, опубл. 03.11.1998.

8. RU №2146378 (С1), G 01 S 5/14, опубл. 10.03.2000.

9. RU №2178894 (С1), G 01 S 5/14, опубл. 27.01.2002.

10. RU №2124214 (С1), G 01 S 1/02, Н 04 В 1/06, опубл. 27.12.1998.

11. Радиоприемные устройства / В.Н.Банков, Л.Г.Барулин, М.И.Жодзишский и др. // М., Радио и связь, 1984 (с.66-68).

12. O.D.Grace and S.P.Pitt. Sampling and interpolation of bandlimited signals by quadrate methods. J. Acoust. Soc. Amer., Vol.48, No.6 (Part 1), 1970.

13. McDonald, М. А 2.5 GHz BiCMOS Image Reject Front End. ISSCC Digest Tech. Papers, Feb., 1993, pp.144-145.

14. R.G.Vaughhan, N.L.Scott and D.R.White. The theory of bandpass sampling. IEEE transactions on signal processing. Vol.39, No.9, September 1991.

15. J.G.Proakis. Digital communications. Third Edition, 1995, McGraw-Hill, Inc.