Приёмник сигналов спутниковых радионавигационных систем "навстар" и "глонасс"

 

Предлагаемый приемник относится к спутниковой радионавигации и может быть использован на подвижных объектах, например на инкассаторских машинах, для первичной обработки информации, поступающей от двух взаимно рассинхронизованных спутниковых радионавигационных систем "Навстар" и "Глонасс". Технической задачей изобретения является повышение избирательности и помехоустойчивости приемника путем подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по зеркальному и комбинационным каналам. Приемник содержит антенну, входной фидер, широкополосный фильтр-преселектор, первый манипулирующий усилитель, первый полосовой фильтр, второй малошумящий усилитель, первый смеситель, синтезатор частоты, опорный термостатированный генератор, второй полосовой фильтр, первый усилитель промежуточной частоты, блок комплексного преобразования частоты, блок автоматической регулировки усиления, второй смеситель, третий полосовой фильтр, второй усилитель промежуточной частоты, коррелятор, пороговый блок и ключ. 2 ил.

Предлагаемый приемник относится к спутниковой радионавигации и может быть использован на подвижных объектах, например на инкассаторских машинах, для первичной обработки информации, поступающей от двух взаимно рассинхронизованных спутниковых радионавигационных систем “Навстар” и “Глонасс”.

Известны приемники сигналов спутниковых радионавигационных систем (патент РФ №2.110.149, Н 04 В 1/06, 1993; Колоколов Ю.Д., Солошек Л.К. Состояние и перспективы разработки аппаратуры линейных трактов приемников и возбудителей передатчиков. -Электросвязь, 1993, №1, с.34; Абросимов В.И. и др. Использование системы Navstar для определения угловой ориентации объектов. -Зарубежная радиоэлектроника, 1989, №1, с.49; Сетевые спутниковые радионавигационные системы. Под ред. B.C.Шебшаевича. М., 1993; Мищенко И.Н., Романов Л.М. Новые разработки спутниковых радионавигационных систем. - Зарубежная радиоэлектроника, 1989, №1, с.68-82 и другие).

Из известных приемников наиболее близким к предлагаемому является “Приемник сигналов спутниковых радионавигационных систем” (патент РФ №2.110.149, Н 04 В 1/06, 1993), который и выбран в качестве прототипа.

Использование указанного приемника позволяет одновременно принимать и обрабатывать сигналы космических радионавигационных систем “Навстар” и “Глонасс” без дублирования каналов приема, т.е. с помощью одного приемного тракта. Кроме того, за счет уменьшения времени группового запаздывания при передаче сигналов систем “Навстар” и “Глонасс” повышаются точностные характеристики приемника, а реализация приемника позволяет его упростить и снизить энергетические потери.

Однако известный приемник выполнен по супергетеродинной схеме, в которой одно и то же значение промежуточной частоты Wnp может быть получено в результате приема сигналов на двух частотах Wc и Wз, т.е.

Wnp=Wc-Wг₁ и Wnp-Wг₁-Wз₁.

Следовательно, если частоту настройки Wс принять за основной канал приема, то наряду с ним будет иметь место зеркальный канал приема, частота Wз₁ которого отличается от частоты Wс на 2Wnp и расположена симметрично (зеркально) относительно частоты Wг₁ гетеродина (фиг.2). Преобразование по зеркальному каналу приема происходит с тем же коэффициентом преобразования Кпр, что и по основному каналу, поэтому он наиболее существенно влияет на избирательность и помехоустойчивость приемника.

Кроме зеркального существуют и другие дополнительные (комбинационные) каналы приема. В общем виде любой комбинационный канал приема имеет место при выполнении условия

Wnp=|±mWкi±nWг₁|,

где Wкi - частота i-го комбинационного канала приема;

m, n, i - целые положительные числа.

Наиболее вредными комбинационными каналами приема являются каналы, образующиеся при взаимодействии несущей частоты принимаемого сигнала с гармониками частоты гетеродина малого порядка (второй, третий и т.д.), так как чувствительность приемника по этим каналам близка к чувствительности основного канала. Так, двум комбинационным каналам при m=1 и n=2 соответствуют частоты

Wк₁=2Wг₁-Wnp и Wк₂=2Wг₁+Wnp.

Наличие ложных сигналов (помех), принимаемых по зеркальному и комбинационным каналам, приводит к снижению избирательности и помехоустойчивости приемника.

Технической задачей изобретения является повышение избирательности и помехоустойчивости приемника путем подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по зеркальному и комбинационным каналам.

Поставленная задача решается тем, что приемник сигналов спутниковых радионавигационных систем, содержащий последовательно включенные антенну, входной фидер, широкополосный фильтр-преселектор, первый малошумящий усилитель, первый полосовой фильтр, второй малошумящий усилитель, первый смеситель, второй вход которого через синтезатор частот соединен с выходом опорного термостатированного генератора, второй полосовой фильтр и первый усилитель промежуточной частоты, при этом второй и третий выходы синтезатора частот подключены соответственно к первому и второму входам блока комплексного преобразования сигнала, выход блока автоматической регулировки усиления соединен одновременно с вторыми входами первого усилителя промежуточной частоты, первого и второго малошумящих усилителей, снабжен вторым смесителем, третьим полосовым фильтром, вторым усилителем промежуточной частоты, коррелятором, пороговым блоком и ключом, причем к выходу второго малошумящего усилителя последовательно подключены второй смеситель, второй вход которого соединен с четвертым выходом синтезатора частот, третий полосовой фильтр, второй усилитель промежуточной частоты, второй вход которого соединен с выходом блока автоматической регулировки усиления, коррелятор, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя промежуточной частоты, пороговый блок и ключ, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя промежуточной частоты, а выход подключен к информационному входу блока комплексного преобразования сигнала и блока автоматической регулировки усиления.

Структурная схема предлагаемого приемника представлена на фиг.1. Частотная диаграмма, поясняющая причину образования дополнительных каналов приема, изображена на фиг.2.

Приемник сигналов спутниковых радионавигационных систем “Навстар” и “Глонасс” содержит последовательно включенные антенну, входной фидер 1, широкополосный фильтр-преселектор 2, первый малошумящий усилитель 3, первый полосовой фильтр 4, второй малошумящий усилитель 5, первый смеситель 6, второй вход которого через синтезатор частот 7 соединен с выходом опорного термостатированного генератора 8, второй полосовой фильтр 9 и первый усилитель 10 промежуточный частоты, последовательно подключенные к выходу второго малошумящего усилителя 5, второй смеситель 13, второй вход которого соединен с четвертым выходом синтезатора частот, третий полосовой фильтр 14, второй усилитель 15 промежуточной частоты, коррелятор 16, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя 10 промежуточной частоты, пороговый блок 17 и ключ 18, второй вход которого соединен с выходом усилителя 10 промежуточной частоты, а выход подключен к информационному входу блока 11 комплексного преобразования сигнала и блока 12 автоматической регулировки усиления. При этом выход блока 12 автоматической регулировки усиления соединен одновременно с вторым входом первого 3 и второго 5 малошумящих усилителей, первого 10 и второго 15 усилителей промежуточной частоты.

Предлагаемый приемник работает следующим образом.

На вход антенны приемника поступают одновременно сигналы космических аппаратов двух спутниковых радионавигационных систем “Навстар” и “Глонасс” S_L, которые в двух диапазонах принимаемых частот L₁ и L₂ имеют вид

S_j·L₁(t)=P_j(t)·D_j(t)·Cos(W_j·L₁·t+ϕ_jL₁),

S_j·L₂(t)=P_j(t)·D_j(t)·Cos(W_j·L₂·t+ϕ_jL₂),

где Р_j (t) - псевдослучайная огибающая j-го КА, j=1, 2,..., n;

D_j(t) - навигационное сообщение j-го КА;

W_j·L₁, W_j·L₂ - несущие частоты в диапазонах L₁ и L₂ от j-го космического аппарата;

ϕ_j·L₁, ϕ_j·L₂ - начальные фазы принимаемых сигналов.

Амплитудно-частотная характеристика приемного тракта определяется спектрами частот принимаемых сигналов. Спектр сигналов системы КА GPS “Навстар” при работе по коду общего применения С/А составляет (1574,42-1594,24) МГц, а спектр сигналов КА системы “Глонасс” при работе по С/А и Р-кодам составляет (1602-1620) МГц.

Это означает, что общая полоса частот принимаемых сигналов равна

1574,42≤ΔW≤1620,6 МГц,

т.е. занимаемая полоса частот ΔW составляет 50 МГц.

Принимаемые ФМН-сигналы с антенны поступают во входной фидер 1, который представляет собой четвертьволновый замкнутый на одной стороне отрезок коаксиальной линии и служит для согласования параметров антенны и входных цепей приемника. С выхода фидера 1 ФМН-сигналы поступают на вход широкополосного фильтра-преселектора 2, который служит для ограничения полосы частот принимаемых сигналов в диапазоне 1574,42-1621 МГц. Указанный фильтр, выполненный на микрополосковых линиях, реализует эллиптический полосовой фильтр Кауэра 5-го порядка. Широкополосный фильтр-преселектор 2 обладает важным достоинством, а именно практически линейной фазой в полосе пропускания фильтра, что является большим преимуществом при работе со сложными фазоманипулированными сигналами, принимаемыми со спутников. Это приводит, например, к тому, что фильтр-преселектор 2 имеет одинаковое линейное время группового запаздывания τ в полосе пропускания, равное примерно 2,5 нc. Такая реализация приводит к тому, что нет необходимости использовать специальный калибратор для обеспечения одинакового времени группового запаздывания τ для всех сигналов, принимаемых от КА.

С выхода фильтра-преселектора 2 сигнал поступает на вход малошумящего усилителя 3, выход которого соединен с входом полосового фильтра 4, выходной сигнал которого поступает на вход второго малошумящего усилителя 5.

Полосовой фильтр 4 предназначен для устранения дополнительных пульсаций в полосе заграждения широкополосного фильтра-преселектора 2, а также для развязки между малошумящими усилителями 3 и 5. Основное усиление приемного тракта обеспечивается малошумящими усилителями 3 и 5, которые выполнены на основе арсенид-галлиевых транзисторов с барьером Шоттки. Параметры малошумящих усилителей 3 и 5: коэффициент усиления 35дБ, диапазон принимаемых частот 1-8 ГГц при неравномерности амплитудно-частотной характеристики 1 дБ и коэффициенте шума 1,1 дБ.

Дальше сигнал с выхода второго малошумящего усилителя 5 поступает на первые входы смесителей 6 и 13, на вторые входы которых подаются напряжения с первого и четвертого выходов синтезатора 7 частот. Причем частоты этих напряжений разнесены на удвоенное значение промежуточной частоты

Wг₂-Wг₁-2Wnp

и выбраны симметричными относительно частоты Wс основного канала

Wс-Wг₁=Wг₂-Wс=Wnp.

Это обстоятельство приводит к удвоению числа дополнительных каналов приема (фиг.2), но создает благоприятные условия для их подавления с помощью корреляционной обработки принимаемых сигналов. Выходы смесителей 6 и 13 соединены с полосовыми фильтрами 9 и 14 соответственно, каждый из которых представляет собой два последовательно включенных фильтра Бесселя третьего порядка с линейной фазочастотной характеристикой, настроенные на частоты сигналов космических аппаратов системы GPS “Навстар” (133-137 МГц) и системы “Глонасс” (157-181 МГц), обеспечивая тем самым обработку входной информации в широкой полосе частот. Выходы полосовых фильтров 9 и 14 соединены соответственно с усилителями 10 и 15 промежуточной частоты для дальнейшего усиления входного сигнала.

Для обеспечения постоянства коэффициента усиления в заданных пределах используется блок 12 автоматической регулировки усиления, охватывающий малошумящие усилители 3 и 5, усилители 10 и 15 промежуточной частоты.

Напряжения с выходов усилителей 10 и 15 промежуточной частоты поступают на два входа коррелятора 16, на выходе которого образуется корреляционная функция R(τ). Последняя сравнивается с пороговым уровнем Vnор в пороговом блоке 17. Пороговое напряжение Vnор превышается только при максимальном значении корреляционной функции R_mах(τ). Так как напряжения с выходов усилителей 5 и 10 промежуточной частоты образованы одним и тем же ФМН-сигналом, принимаемым по основному каналу на частоте Wc (фиг.2), то между этими напряжениями существует сильная корреляционная связь, корреляционная функция достигает своего максимального значения R_max(τ), которое превышает пороговый уровень Vnор. Следует отметить, что корреляционная функция ФМН-сигнала имеет замечательное свойство: высокий уровень главного лепестка и низкий уровень боковых лепестков. При превышении порогового уровня Vnop в пороговом блоке 17 формируется постоянное напряжение, которое поступает на управляющий вход ключа 18 и открывает его. В исходном состоянии ключ 18 всегда закрыт.

При этом выходное напряжение усилителя 10 промежуточной частоты через открытый ключ 18 поступает на информационный вход блока 11 комплексного преобразования сигналов, в котором реализована квадратурная обработка входной информации за счет подачи на управляющие входы данного узла прямоугольных импульсов со сдвигом на четверть периода, при этом на выходах J₁, J₂ образуется синусная, а на выходах Q₁, Q₂ - косинусная составляющая входного информационного сигнала.

Описанная выше работа приемника соответствует случаю приема ФМН-сигналов по основному каналу на частоте Wc (фиг.2).

Если ложный сигнал (помеха) принимается по первому зеркальному каналу на частоте Wз₁, то на выходе смесителей 6 и 13 образуются напряжения следующих частот:

W₁₁=Wг₁-Wз₁=Wnp,

W₁₂-Wг₂-Wз₁-3Wnp,

где первый индекс обозначает номер канала, по которому принимается ложный сигнал (помеха);

- второй индекс обозначает частоту гетеродина, участвующую в преобразовании частоты принимаемого ложного сигнала (помехи).

Однако только напряжение с частотой W₁₁ попадает в полосу пропускания усилителя 10 промежуточной частоты. Выходное напряжение коррелятора 16 в этом случае равно нулю, ключ 18 не открывается и ложный сигнал (помеха), принимаемый по первому зеркальному каналу на частоте Wз₁, подавляется.

Если ложный сигнал (помеха) принимается по второму зеркальному каналу на частоте Wз₂, то на выходах смесителей 6 и 13 образуются напряжения следующих частот:

W₂₂-Wз₂-Wг₂=Wnp,

W₂₁=Wз₂-Wг₁=3Wnp.

Однако только напряжение с частотой W₂₂ попадает в полосу пропускания усилителя 15 промежуточной частоты. Выходное напряжение коррелятора 16 также равно нулю, ключ 18 не открывается и ложный сигнал (помеха), принимаемый по второму зеркальному каналу на частоте Wз₂, подавляется.

По аналогичной причине подавляются и другие ложные сигналы (помехи), принимаемые по первому комбинационному каналу на частоте Wк₁, или по второму комбинационному каналу на частоте Wк₂, или по любому другому комбинационному каналу Wз.

Если ложные сигналы (помехи) одновременно принимаются, например, по первому и второму зеркальным каналам на частотах Wз₁ и Wз₂, то на выходах смесителей 6 и 13 образуются напряжения следующих частот:

W₁₁=Wг₁-Wз₁=Wnp,

W₁₂=Wг₂-Wз₁=3Wnp,

W₂₂=Wз₂-Wг₂=Wnp,

W₂₁=Wз₂-Wг₁=3Wnp.

При этом напряжения с частотами W₁₁ и W₁₂ попадают в полосы пропускания усилителей 10 и 15 промежуточной частоты соответственно. Однако ключ 18 в этом случае также не открывается. Это объясняется тем, что ложные сигналы (помехи) принимаются на разных частотах Wз₁ и Wз₂ и между ними существует слабая корреляционная связь. Корреляционная функция не достигает максимального значения и не превышает пороговый уровень Vnop, ключ 18 не открывается и ложные сигналы (помехи), принимаемые одновременно по первому и второму зеркальным каналам на частотах Wз₁ и Wз₂, подавляются.

По аналогичной причине подавляются и ложные сигналы (помехи), принимаемые одновременно по двум или более другим каналам.

В приемнике достигнуты следующие преимущества:

а) обеспечение возможности приема и обработки сигналов двух спутниковых радионавигационных систем “Навстар” и “Глонасс” с помощью одного приемного тракта, а значит, достигнуто существенное упрощение приемной аппаратуры;

б) реализация приемника может быть осуществлена с помощью одного преобразования на промежуточную частоту с целью дальнейшей цифровой обработки сигналов, поступивших с КА спутниковых радионавигационных систем, и тем самым обеспечивает высокую надежность и точность работы схемы;

д) приемник обеспечивает более высокую точность воспроизведения входной информации за счет применения фильтров с эллиптической аппроксимацией, что реализует линейную фазочастотную характеристику и как следствие одинаковое и минимальное время групповой задержки для всех принимаемых сигналов.

Таким образом, предлагаемый приемник по сравнению с прототипом и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивает повышение избирательности и помехоустойчивости приема сигналов спутниковых радионавигационных систем “Навстар” и “Глонасс”. Это достигается за счет корреляционной обработки принимаемых сигналов и использования замечательного свойства корреляционной функции фазоманипулированных сигналов, которая имеет весьма высокий уровень главного лепестка и низкий уровень боковых лепестков.

Формула изобретения

Приемник сигналов спутниковых радионавигационных систем, содержащий последовательно включенные антенну, входной фидер, широкополосный фильтр-преселектор, первый малошумящий усилитель, первый полосовой фильтр, второй малошумящий усилитель, первый смеситель, второй вход которого через синтезатор частот соединен с выходом опорного термостатированного генератора, второй полосовой фильтр и первый усилитель промежуточной частоты, при этом второй и третий выходы синтезатора частоты подключены соответственно к первому и второму входам блока комплексного преобразования сигнала, выход блока автоматической регулировки усиления соединен одновременно с вторыми входами первого усилителя промежуточной частоты, первого и второго малошумящих усилителей, отличающийся тем, что он снабжен вторым смесителем, третьим полосовым фильтром, вторым усилителем промежуточной частоты, коррелятором, пороговым блоком и ключом, причем к выходу второго малошумящего усилителя последовательно подключены второй смеситель, второй вход которого соединен с четвертым выходом синтезатора частот, третий полосовой фильтр, второй усилитель промежуточной частоты, второй вход которого соединен с выходом блока автоматической регулировки усиления, коррелятор, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя промежуточной частоты, пороговый блок и ключ, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя промежуточной частоты, а выход подключен к информационному входу блока комплексного преобразования сигнала и блока автоматической регулировки усиления.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2