CC BY
350
УДК 629.7.05
ВАРИАНТЫ РЕАЛИЗАЦИИ ВХОДНОГО ТРАКТА СПУТНИКОВОГО НАВИГАЦИОННОГО ПРИЕМНИКА
--- Д. А. Аминев, А. С. Свиридов, С. У. Увайсов
Современная навигационная аппаратура потребителей (НАП) является аналого-цифровой системой, сочетающей аналоговую и цифровую обработку сигналов [1-7].
В общем случае НАП состоит из навигационных приемников и устройств обработки, предназначенных для приема навигационных сигналов от навигационных космических аппаратов (НКА) и вычисления собственных координат, скорости и времени [9, 10]. Обобщенная структура входного тракта с прямым преобразованием частоты представлена на рис. 1.
Рис. 1. Обобщенная структура входного тракта с прямым преобразованием частоты
Антенна выполняет функцию преобразования электромагнитных волн в электрический сигнал и может состоять из одного или нескольких антенных элементов с необходимыми блоками электронного управления [1]. Полосовой фильтр (ПФ) нужен для частотной селекции (фильтрации) полезных сигналов из смеси с шумами и помехами. Малошумящий усилитель (МШУ) предназначен для усиления очень слабых сигналов, поступающих на вход тракта от НКА. Смеситель (СМ) понижает несущую частоту принятых сигналов до заданного значения, которое принято называть промежуточной частотой. Частота гетеродина (/.ет) поступает на смеситель от синтезатора частот, который формирует набор гармонических колебаний, необходимых для работы приемника. Фильтр нижних частот (ФНЧ), стоящий после смесителя, предназначен для подавления сигнальных составляющих суммарной частоты, образующихся на выходе смесителя. Далее сигнал поступает на аналого-цифровой преобразователь (АЦП) для оцифровки сигнала и последующей его обработки в цифровом вычислителе.
Сложной задачей при разработке радиочастотного блока является проектирование входного тракта, состоящего из высокочастотного приемника и синтезатора частоты. Предлагаются следующие варианты его реализации:
- для портативных устройств;
- для бортовых устройств;
- для бортовых двухдиапазонных устройств.
Во всех вариантах приемника сигналов спутниковых навигационных систем аппаратная аналоговая часть реализована по схеме прямого преобразования частоты. В структурных схемах белым обозначены однотипные блоки, отличающиеся - серым.
Вариант реализации входного тракта для портативных устройств представлен на рис. 2.
Рис. 2. Вариант реализации входного тракта для портативных устройств
Навигационные сигналы, принимаемые антеннами от спутниковых систем, поступают на высокочастотный ключ. Ключ осуществляет коммутацию между антеннами и приемным устройством. В автоматическом режиме и при наличии обоих антенн радиочастотный блок отдает преимущество внешней антенне. По желанию пользователя тип используемой антенны может быть выбран через соответствующее меню навигационного устройства.
После ключа сигнал попадает на делитель, основная задача которого с минимальными потерями разделить принимаемый сигнал пополам для дальнейшей независимой обработки навигационных данных от глобальных спутниковых навигационных систем GPS и ГЛОНАСС. С делителя сигнал поступает на полосовые фильтры, каждый из которых имеет полосу пропускания для выделения только сигнала GPS или ГЛОНАСС.
Для компенсации потерь, внесенных полосовыми фильтрами, навигационный сигнал поступает на соответствующие системам позиционирования малошумящие усилители. Для большего ослабления внеполосных помех, после МШУ, сигнал повторно фильтруется ПФ и усиливается на втором каскаде МШУ.
Со второго каскада сигнал каждой системы - GPS и ГЛОНАСС соответственно поступает на универсальный навигационный приемник, который выполняет однократный перенос несущей на промежуточную частоту в виде квадратур I и Q, ограничивает полосу перенесенного сигнала и подавляет зеркальную частоту встроенным ФНЧ. Результирующая полоса сигнала после преобразования усиливается регулируемыми усилителями и оцифровывается. Цифровой сигнал поступает на разъемы, используемые для подключения цифрового вычислителя для дальнейшей обработки - выделения навигационного сообщения с целью определения пространственных координат, составляющих вектора скорости движения, поправки показаний часов потребителя и скорости изменения этой поправки [10].
Вся схема, за исключением внешней антенны, питается от одного малошумящего линейного стабилизатора напряжения. С целью обеспечить достаточный уровень тока, потребляемого различными внешними антеннами, применен дополнительный малошумящий линейный стабилизатор.
Рассмотренная схема обладает следующими достоинствами:
- минимальный уровень энергопотребления;
- независимая обработка сигналов от двух глобальных спутниковых навигационных систем.
К недостаткам схемы можно отнести применение универсального однокристального навигационного приемника, так как наличие таких встроенных блоков, как АЦП и генератора, управляемого напряжением (ГУН), загрубляют параметры принимаемого сигнала [11].
Данная схема ориентирована на применение в портативных устройствах навигации и способна работать как с встроенной в корпус антенной, так и дополнительно подключаемой внешней.
Вариант исполнения входного тракта для бортовых устройств представлен на рис. 3.
Антенна
ГЛОНАСС
GPS
V
ПФ
МШУ
Антенна
ГЛОНАСС
GPS
V
Линейный
стабилизатор
напряжения
МШУ
Разъём
МШУ ► Квадратурный демодулятор ► Вход\выход
ЦАП
ПФ
Трансформатор
Линейный
стабилизатор
напряжения
Линейный
Синтезатор 4- стабилизатор
напряжения
Трансформатор
Т
N
Разъём
МШУ Квадратурный демодулятор ► Вход\выход
Рис. 3. Вариант реализации входного тракта для бортовых устройств
С антенны сигнал подается на МШУ, фильтруется в ПФ с полосой, пропускающей сигналы от двух глобальных навигационных систем ГЛОНАСС, GPS, подвергается повторному усилению и поступает на вход квадратурного демодулятора.
Квадратурный демодулятор предназначен для переноса на промежуточную частоту принятого сигнала в виде квадратур I и Q. Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) нужен для регулировки встроенных в квадратурный демодулятор полосовых низкочастотных усилителей. Синтезатор выполняет роль гетеродина - генерирует гармоническое колебание, частотой, необходимой для работы демодулятора.
Трансформаторы необходимы для получения дифференциального сигнала из однополярного, который необходим для получения квадратурных составляющих принятого сигнала в смесителе квадратурного демодулятора.
Чтобы минимизировать взаимные помехи от функциональных блоков различного назначения, применяется три малошумящих линейных стабилизатора напряжения, которые обеспечивают напряжением МШУ, ЦАП, квадратурные демодуляторы и синтезатор.
Достоинства схемы:
- параллельная работа двух приемных трактов, позволяющая увеличить число одновременно обрабатываемых каналов;
- резервирование, если один канал выйдет из строя, решение навигационной задачи будет возможно посредством оставшегося работоспособного канала.
К недостатком можно отнести увеличение номенклатуры элементной базы, связанное с увеличением числа линейных стабилизаторов напряжения, и не всегда нужное резервирование схемы.
Представленный вариант предназначен для приема навигационных сигналов двумя идентичными пассивными двухсистемными ГЛОНАСС/ОР8 антеннами, расположенными с противоположных сторон борта носителя.
Вариант реализации входного тракта высокочастотного навигационного приемника для бортовых двухдиапазонных устройств представлен на рис. 4.
Рис. 4. Вариант реализации входного тракта для бортовых двухдиапазонных устройств
Предлагаемая схема по сути является комбинацией двух предложенных ранее вариантов. Однако в ней коэффициент усиления полосовых усилителей для каждого диапазона регулируется отдельными ЦАП, а гетеродин формируется собственными синтезаторами. На выходе формируется аналоговый квадратурный сигнал, дальнейшая обработка которого происходит в цифровом вычислителе.
Разработанный модуль позиционируется как универсальное функционально законченное устройство с возможностью работать как от активной, так и от пассивной антенны. Аттенюатор введен с целью ослабить излишнее усиление при работе от активной антенны.
Достоинства схемы:
- один антенный вход;
- работа в двух частотных диапазонах Ь1 и Ь2.
Существенным недостатком является схемная реализация на дискретной элементной базе.
Рассмотренные варианты реализованы на основе аналоговых микросхем в виде функционально законченных модулей на многослойных печатных платах, топология которых создана с учетом требований по электромагнитной совместимости.
Внешний вид модулей представлен на рис. 5.
Вид сверху
Вид снизу
а) портативный (30 х 25 мм)
б) бортовой (42,8 х 75 мм)
в) бортовой двухдиапазонный (39 х 80 мм)
Рис. 5. Внешний вид модулей
Элементная база, на основе которой созданы рассмотренные модули, и ее основные характеристики представлены в табл. 1. Обозначение параметров в таблице: FrF - диапазон входных частот; I.L - вносимые потери; NF - коэффициент шума; G - коэффициент усиления; VS - напряжение питания; F^ - центральная частота; Fbw - полоса частот; Fout - диапазон выходных частот; Vin - диапазон входного напряжения; Vout - выходное напряжение; Iout - максимальный выходной ток.
Таблица 1
Элементная база структурных блоков вариантов приемных модулей
Назначение Модель Производитель Вариант реализации Основные характеристики
Ключ uPG2010TB California Eastern Laboratories а Frp = (0,5...2,5) GHz I.L = 0,3 dB
Делитель QCN-19 Mini-Circuits в Frp = (1100.1925) MHz I.L = 0,4 dB
SP-2G+ а Frp = (1420.1660) MHz I.L = 0,4 dB
МШУ MGA-62563 Avago Technologies в Frp = (0,1...3,0) GHz NF = 0,9 dB G = 22,0 dB Vs = (3,0...5,0) V
MAX2659 Maxim Integrated а, б Frp = (1,2...2,0) GHz NF = 0,8 dB G = 20,5 dB Vs = (1,6...3,3) V
ПФ ФП-647 ОАО «МНИИР» a FRPc = 1601 MHz Fbw = 21 MHz
TFS1575H Vectron International a FRPc = 1575,42 MHz Fbw = 2,8 MHz
ФМ(3)-1239/33 ЗАО «Транстроника» в FRPc = 1239 MHz Fbw = 33 MHz
ФМ(3)-1591/42 б, в FRPc = 1591 MHz Fbw = 42 MHz
Квадратурный демодулятор AD8347 Analog Devices б, в Frp = (800.2500) MHz Vs = (2,7...5,5) V
Универсальный навигационный приемник MAX2769 Maxim Integrated а Frp = (1574.1606) MHz Vs = (2,7...3,3) V Встроенный синтезатор Встроенный АЦП
Синтезатор ADF4360-4 Analog Devices б, в Fout = (1450.1750) MHz Vs = (3,0...3,6) V
ADF4360-5 в Fout = (1200.1400) MHz Vs = (3,0...3,6) V
ЦАП AD5310 Analog Devices в 10-bit 1 ЦАП Vs = (2,7...5,5) V Управление по SPI
AD5324 б 12-bit 4 ЦАПа Vs = (2,5.5,5) V Управление по SPI
Линейный стабилизатор ADP150 Analog Devices а Vn = (3,2...5,5) V Vout = 3,0 V Iout = 150 mA
LT1963A Linear Technology б Vln = (2,2.20,0) V Vout = регулируется Iout = 1,5 A
TPS76301 Texas Instruments в Vm = (2,7.10,0) V Vout = регулируется Iout = 150 mA
TPS79333 в Vs = (2,7...5,5) V Vout = 3,3 V Iout = 200 mA
Таким образом, предложенные структурные схемы трех рассмотренных вариантов входного радиочастотного тракта реализованы в виде унифицированных модулей и успешно эксплуатируются в реальных условиях.
На данный момент самыми востребованными являются бортовые модули, способные работать в жестких условиях эксплуатации.
1. ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования / под ред. А. И. Перова, В. Н. Харисова. -Изд. 4-е перераб. и доп. - М. : Радиотехника, 2010. - 800 с.
2. Аминев, Д. А. Многоканальная регистрация высокоскоростных сигналов / Д. А. Аминев // Системы и средства связи, телевидения и радиовещания. - М., 2011. - С. 48-50.
3. Юрков, Н. К. К вопросу разработки нормативно-методического обеспечения испытаний РЭС на вибростойкость / Н. К. Юрков, В. Н. Писарев, Г. В. Таньков // Надежность и качество : тр. Междунар. симп. / под ред. Н. К. Юркова. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2002. - С. 274-275.
4. Испытания бортовой спутниковой навигационной системы на виброклиматические воздействия / Д. А. Аминев, А. Е. Абрамешин, И. Ю. Лисицын, С. У. Увайсов // Инновационные информационные технологии : материалы Междунар. науч.-практ. конф. / отв. ред. И. А. Иванов ; под общ. ред. С. У. Увайсова. - М. : МИЭМ НИУ ВШЭ, 2013. - Т. 3. - С. 18-23.
5. Аминев, Д. А. Вычислитель для бортовой спутниковой навигационной системы / Д. А. Аминев, И. Ю. Лисицын, С. У. Увайсов // Иформационные и коммуникационные технологии в образовании, науке и производстве : материалы VII Междунар. науч.-практ. конф. (24-28 июня 2013 г.). - Протвино, 2013.
6. Аминев, Д. А. Система регистрации параметров бортовой спутниковой навигационной системы при испытаниях на виброклиматические воздействия / Д. А. Аминев, И. Ю. Лисицын, С. У. Увайсов // Надежность и качество : тр. Междунар. симп. : в 2 т. / под ред. Н. К. Юркова. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2013. - Т. 2. - С. 377-379.
7. Лышов, С. М. Моделирование механических характеристик конструкции бортовой аппаратуры / С. М. Лышов, И. А. Иванов, С. У. Увайсов // Надежность и качество : тр. Междунар. симп. : в 2 т. / под ред. Н. К. Юркова. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2013. - Т. 2. - С. 379-386.
8. ГЛОНАСС: Интерфейсный контрольный документ (редакция 5.1). 2008. - Редакция от ФГУП «РНИИ КП».
9. Свиридов, А. С. ГЛОНАСС. Навигационная аппаратура потребителей / А. С. Свиридов // Сборник трудов VI Междунар. науч.-практ. конф. учащихся и студентов : в 2 ч. / под ред. Ю. А. Романенко, Н. А. Анисинкиной, С. Г. Воеводиной. - Протвино : Управление образования и науки, 2013. - С. 854-856.
10. ГОСТ Р 52928-2010. Система спутниковая навигационная глобальная. Термины и определения. - М. : Стандартинформ, 2011. - 25 с.
11. Юрков, Н. К. Системные методологии, идентификация систем и теория управления: промышленные и аэрокосмические приложения / Н. К. Юрков, И. А. Гарькина, А. М. Данилов, Э. В. Лапшин // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. 2009. - № 1. - С. 3-11.
УДК 629.7.05
Аминев, Д. А.
Варианты реализации входного тракта спутникового навигационного приемника /
Д. А. Аминев, А. С. Свиридов, С. У. Увайсов // Надежность и качество сложных систем. - 2013. - № 3. -
Список литературы
С. 76-83.
Аминев Дмитрий Андреевич
кандидат технических наук, менеджер, Московский институт электроники и математики Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики»,
109028, Россия, г. Москва,
Б. Трехсвятительский пер., д.1-3/12
Aminev Dmitriy Andreevich candidate of technical sciences, manager, Moscow institute of electronics and mathematics of National Research University «Higher school of economics»,
109028, 1-3/12 Bol'shoy Trekhsvyatitel'skiy lane, Moscow, Russia
89067406453
E-mail: [email protected]
89067406453
E-mail: [email protected]
Свиридов Александр Сергеевич аспирант,
Московский институт электроники и математики Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики»,
109028, Россия, г. Москва,
Б. Трехсвятительский пер., д.1-3/12
Sviridov Aleksandr Sergeevich postgraduate,
Moscow institute of electronics and mathematics of National Research University «Higher school of economics»,
109028, 1-3/12 Bol'shoy Trekhsvyatitel'skiy lane, Moscow, Russia
89647735273
89647735273
E-mail: [email protected]
E-mail: [email protected]
Увайсов Сайгид Увайсович доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой радиоэлектроники и телекоммуникаций,
Московский институт электроники и математики Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики»,
109028, Россия, г. Москва,
Б. Трехсвятительский пер., д.1-3/12 84957766453
E-mail: [email protected]
Аннотация. Рассматривается процесс прохождения сигналов во входном тракте спутникового навигационного приемника. Предлагаются варианты аппаратной реализации тракта. Приводятся их структурные схемы. Проведен выбор элементной базы и представлен внешний вид печатных узлов.
Ключевые слова: приемник, входной тракт, спутниковая навигация, структурная схема, элементная база, обработка сигналов.
Uvaysov Saygid Uvaysovich doctor of technical sciences, professor, head of sub-departament of radioelectronics and telecommunications,
Moscow institute of electronics and mathematics of National Research University «Higher school of economics»,
І09028, І-3/І2 Bol'shoy Trekhsvyatitel'skiy lane,
Moscow, Russia
84957766453
E-mail: [email protected]
Abstract. The signals processing in the input path of the satellite navigation receiver is studied. The variants of the hardware implementation tract is offered. Their block diagrams is given. The election of the hardware components is made and the appearance of modules is shown.
Key words: receiver input channel, satellite navigation, block diagram, element base, signal processing.
