Е. Поваляев, С. Хуторной

Системы спутниковой навигации ГЛОНАСС и GPS. Часть 2. Аппаратура потребителей системы

В первой части цикла было дано общее описание приёмника сигналов спутниковых систем ГЛОНАСС/GPS. В данной статье рассмотрим вопросы построения аппаратуры потребителя спутниковых систем ГЛОНАСС и GPS, в частности, радиочастотный тракт приёмника и аналого-цифровой преобразователь как интерфейсный блок между цифровым коррелятором и радиочастотной частью.

Навигационный приёмник предназначен для определения пространственных координат, вектора скорости, текущего времени и других навигационных параметров, полученных в результате приёма и обработки радиосигналов от навигационных спутников.

На вход приёмника поступают радиосигналы от спутников, находящихся в зоне радиовидимости потребителя. Так как для решения навигационной задачи необходимо измерить псевдодальность и псевдоскорость относительно минимум 4-х спутников, то навигационные приёмники целесообразно строить в многоканальном исполнении (4-12 каналов в обычных и 20–48 каналов в 2-частотных совмещённых приёмниках).

Современные навигационные приёмники являются аналого-цифровыми системами [1]. Переход на цифровую обработку осуществляется на одной из промежуточных частот, при этом имеет место тенденция к её повышению. Увеличение промежуточной частоты для системы ГЛОНАСС обусловлено желанием разработчиков перенести разделение по различным каналам в цифровую часть. На рис. 1 представлена функциональная схема навигационного приёмника ГЛОНАСС/GPS [2].

Рисунок 1. Функциональная схема навигационного приёмника ГЛОНАСС/GPS

Как правило, типовой приёмник сигналов систем ГЛОНАСС/GPS состоит из четырёх функциональных частей:

• антенной системы;
• радиочастотной части;
• цифрового блока корреляционной обработки;
• навигационного процессора.

В качестве антенны обычно используется микрополосковая антенна, обладающая малой массой и габаритными размерами и простотой изготовления. Микрополосковая антенна состоит из двух параллельных проводящих слоёв, разделённых диэлектриком. Нижний проводящий слой является заземлённой плоскостью, а верхний - излучателем антенны. По форме излучатель может быть прямоугольником, эллипсоидом, пятиугольником и так далее. Микрополосковая антенна обеспечивает всена-правленный приём сигналов [1].

Типичные характеристики антенны (для рабочего диапазона частот 1570–1625 МГц):

• обеспечение работы в тракте с волновым сопротивлением 50 Ом;
• коэффициент стоячей волны (КСВ) - не более 2;
• коэффициент эллиптичности антенны в зените не менее 3,5;
• минимальное значение коэффициента усиления относительно изотропного излучателя с круговой поляризацией - 5–8 дБ.

В антенне может быть установлен предварительный усилитель. Он нужен для усиления сигнала до такого уровня, чтобы при передаче по кабелю (20–40 м) до входа в радиочастотную часть приёмника сигнал был достаточно мощным. Предварительный усилитель обеспечивает в рабочем диапазоне частот коэффициент усиления К_у ~ 30–40 дБ и коэффициент шума К_ш Ј 2,5.

Обычно под радиочастотной частью понимают совокупность входных усилителей и фильтров (Pre filter, Pre amplifier), систему 2- или 3-кратного гетеродинирования (Down converter) и АЦП (A/D converter). При использовании многоуровневых АЦП возникает необходимость в автоматической регулировке усиления (Automatic Gain Control - AGC). В радиочастотной части сигналы, принятые антенной, предварительно усиливаются и фильтруются во всей полосе (от 1570 до 1620 МГц для совмещённых приёмников) несущих частот с помощью предварительного усилителя и полосового фильтра.

Принятый высокочастотный сигнал в радиочастотной части гетеродинируют - переносят на промежуточную частоту, дискретизируют, и в цифровом виде сигнал поступает в коррелятор. В корреляторе в цифровой форме формируются отсчёты синфазных I(k) и квадратурных Q(k) компонент сигнала, которые являются основой для работы алгоритмов поиска сигнала по частоте и задержке, слежения за фазой сигнала и выделения навигационного сообщения.

Отсчёты I(k) и Q(k) поступают в сигнальный процессор, который, обрабатывая их, формирует значения псевдодальности и псевдофазы, решает навигационную задачу, формирует управляющий сигнал для ФАП каждого канала для замыкания петли и управляет периферией. Помимо этого, коррелятор может формировать измерительную информацию, которая затем будет использована для вычисления псевдодальности и псевдофазы.

Для приёмников системы GPS с кодовым разделением каналов (сигналов различных спутников) схема на рис. 1 отображает структуру приёмника в целом, то есть радиочастотная часть является общей и разделение по спутникам производится уже в цифровом блоке коррелятора. Для приёмников системы ГЛОНАСС или совмещённых приёмников схема радиочастотной части может существенно отличаться.

Как и любое радиотехническое устройство, навигационный приёмник рассчитывают, выбирая коэффициент шума, коэффициент усиления каждого каскада и добротность полосовых фильтров. Эти характеристики определяются исходя из уровня мощности сигнала на входе антенны, чувствительности приёмника и его динамического диапазона.

Существует несколько вариантов построения радиочастотных частей совмещённого навигационного приёмника. Первоначально была предложена многоканальная схема, в которой каждый радиочастотный канал приёмника настроен на частоту одного из видимых спутников GPS или ГЛОНАСС. Похожую структуру имеет радиочастотный блок, построенный на микросхеме, вы-пускаемой фирмой Zarlink (Gec Ples-sey) GP1010, GP2010 (рис. 2) [3].

Рисунок 2. Функциональная схема радиочастотной части, выпускаемой фирмой Zarlink (Gec Plessey), GP1010, GP2010

Радиочастотная часть для GPS-приёмников производится многими компаниями, такими как Zarlink, Sirf, Tchip, TI, Thomson и так далее. Однако нам не известны производители полноценных радиочастотных микросхем для совмещённых приёмников. С помощью микросхемы Zarlink (Gec Plessey) может быть реализован Глонассовский приёник, поэтому рассмотрим её структуру более подробно.

В данной схеме реализовано трёх-уровневое гетеродинирование. Промежуточные частоты равны

f_{int ermediate 1} = 1400 МГц,
f_{int ermediate 2} = 140 МГц и
f_{int ermediate 3} = 31 МГц.

Частота дискретизации - 5,7 МГц. Выходной АЦП работает в режиме преобразователя частоты, частота входного сигнала АЦП ~ 4,3 МГц, поэтому на выходе получается сигнал разностной частоты ~ 1,4 МГц. Микросхема предназначена для гетеродинирования сигнала GPS, однако её можно использовать и для ГЛОНАСС. Для этого необходимо разбить широкий спектр GLONASS на несколько полос, используя разные частоты гетеродинирования для каждой полосы общего спектра таким образом, чтобы в спектрах сигнала, прошедших через выходной фильтр, присутствовали все литеры.

Подобный приёмник позволяет измерять псевдодальности и псевдофазы для спутников системы GPS, однако сформированные измерения псевдофазы использовать для обработки сигналов спутников ГЛОНАСС не представляется возможным. Схема приёмника построена таким образом, что весь узкий спектр GPS попадает в один радиочастотный тракт, а широкий спектр ГЛОНАСС разбивается на три диапазона, каждому из которых соответствует свой радиочастотный тракт. В результате все спутники GPS имеют одинаковые фазовые искажения, так как общий сигнал проходит по одному тракту. Сигналы от спутников ГЛОНАСС, попадающие в разные диапазоны спектра, имеют разные фазовые искажения, так как проходят через разные радиочастотные части. Поэтому для использования фазовых измерений по ГЛОНАСС в приёмнике, построенном по такой схеме, необходимо оценить искажения, вносимые каждым каналом.

Фазовые искажения в каждом канале можно оценить и вносить в результаты измерений. Однако величина искажений зависит от многих малостабильных факторов, таких как температура, влажность и так далее. Таким образом полностью учесть величину искажений невозможно.

Поэтому была предложена другая схема (рис. 3).

Рисунок 3. Функциональная схема радиочастотной части совмещённого приёмника ГЛОНАСС/GPS

В данной схеме входной сигнал, состоящий из сигналов GPS и Glonass, поступает на вход совмещённой антенны. Входной сигнал GPS + GLONASS лежит в диапазоне 1570,0–1616 МГц (рис. 4). После этого сигналы фильтруются полосовым фильтром и усиливаются антенным усилителем. Далее сигнал поступает в радиочастотную часть приёмника, где он фильтруется, усиливается и гетеродинируется первым гетеродином. В результате первого гетеродинирования получаем сумму сигналов GPS и GLONASS, лежащих в диапазоне 39 (GPS) и 71–85 МГц (GLONASS). Далее с помощью полосового фильтра GPS и GLONASS сумма сигналов разделяется на два тракта. В первом тракте выделяем GPS-сигнал с помощью полосового фильтра. Сигнал во втором тракте мы пропускаем через фильтр верхних частот, чтобы отрезать все гармоники выше 90 МГц (зеркальная помеха). Далее сигнал во втором тракте мы подвергаем гетеродинированию f_oscillator 2 = 121,44 МГц. Спектр входного сигнала 39–85 МГц переносится в диапазон 82,44 МГц (GPS) и 50,44–36,44 МГц (GLONASS), то есть спектр сигнала "переворачивается". Далее с помощью по-лосового фильтра выделяют GLO-NASS-сигнал.

Рисунок 4. Спектры сигналов ГЛОНАСС/GPS

Далее сигнал в обоих трактах GPS и GLONASS гетеродинируют второй раз частотой 34,98 МГц. В первом тракте получаем GPS-сигнал на частоте 4 МГц, во втором тракте получаем совокупность всех сигналов Глонасс, спектр которой составляет 15,46–1,46 МГц. Каждый сигнал в обоих трактах дискретизируется частотой f_sampling = 34,98 МГц, квантуется с помощью двухуровневого квантователя и отсылается в коррелятор.

Отметим, что все сигналы Глонасс проходят по одному тракту. Поэтому фазовые задержки всех каналов идентичны. Предложенная на рис. 3 схема позволяет проводить фазовые измерения, пригодные для последующей обработки. Однако её помехозащищённость можно значительно улучшить, построив схему приёмника с учётом следующих моментов [4]:

• при использовании только диапазона частоты L1 радиочастотные тракты GPS и GLONASS должны быть разделены как можно ближе ко входу приёмника;
• при использовании диапазонов частот L1 и L2 в совмещённом приёмнике радиочастотные тракты GPS L1, GLONASS L1, GPS L2 и GLONASS L2 должны быть разделены как можно ближе ко входу приёмника;
• радиочастотная часть должна быть спроектирована как линейная, в особенности, часть от LNA (low-noise amplifier) до выхода первого преобразователя частоты;
• входные сигналы должны быть отфильтрованы фильтрами с хорошей добротностью как можно ближе ко входу приёмника, входные цепи LNA должны быть защищены от взаимных импульсных помех.

Такая схема построения приёмника позволяет значительно повысить его помехозащищённость. Паразитные помехи и помехи в полосе GPS или GLO-NASS не попадают в соседнюю полосу.

Такая стратегия была реализована в приёмнике компании Ashtech (рис. 5).

Рисунок 5. Функциональная схема приёмника фирмы Ashtech

Одним из принципиальных моментов разработки навигационного приёмника является выбор частотного плана. Под частотным планом подразумевается выбор задающего генератора, частот гетеродинирования и дискретизации для того, чтобы минимизировать уровень паразитных гармоник, возникающих в схеме из-за различных нелинейностей, шумов и влияния цифровой части приёмника. Для этого предварительно выбирают генератор, промежуточные частоты для гетеродинирования, фильтры и рассчитывают коэффициенты усиления всех каскадов. Далее анализируют получившуюся архитектуру и выявляют все нелинейные элементы, в результате работы которых могут возникать гармоники, попадающие в спектр сигнала. Варьируя промежуточные частоты, частоту дискретизации, характеристики смесителей, усилителей и фильтров, подбирают такую конфигурацию, которая обеспечивает оптимальный приём сигнала, то есть в спектре сигнала появляются дальние гармоники от нелинейных преобразований, которые малы и не оказывают серьёзного влияния на сигнал.

Для GPS-приёмников выпускается большая номенклатура различного рода радиочастотных блоков. В качестве примера рассмотрим блок-схемы микросхем радиочастотных трактов, предлагаемых фирмами Tchip (TJ1004) и Texas Instrument (TRF5001).

Блок-схема микросхемы TJ1004 фирмы Tchip представлена на рис. 6.

Рисунок 6. Блок-схема ИС радиочастотного тракта TJ1004 фирмы Tchip

TJ1004 - это полностью законченный радиочастотный блок для приёмника системы GPS для частоты L1. TJ1004 содержит преобразователь частоты, на выходе которого получаем сигнал промежуточной частоты ~ 20,46 или 18,94 МГц. В состав кристалла входит гетеродин (управляемый генератор, построенный на основе контура ФАП), УПЧ (усилитель промежуточной частоты), контур АРУ (автоматической регулировки усиления сигнала, AGC) и 2-бит АЦП. Сигнал от внешнего малошумящего усилителя (LNA TJ1001) и полосового фильтра поступает на преобразователь частоты. Низкое энергопотребление и миниатюрные размеры TJ1004 дают возможность использовать его в различного рода совмещённой аппаратуре.

Другой пример интегрального исполнения радиочастотного блока предлагает фирма Texas In-strument. В кристалле TRF5001 (рис. 7) реализован малошумящий уси-литель входного сигнала (LNA). С выхода LNA сигнал подвергается двукратному преобразованию частоты и внешней фильтрации. Первая промежуточная частота составляет 222,54 МГц, вторая - 2,94 МГц. После внешней фильтрации и внутреннего усиления сигнал поступает на встроенный 4-бит АЦП. Коэффициент усиления УПЧ перед АЦП регулируется с помощью встроенного контура АРУ (AGC).

<Рисунок 7. Функциональная схема ИС радиочастотного тракта приёмника GPS-сигналов TRF5001 фирмы Texas Instrument/p>

Значительной проблемой при проектировании ГЛОНАСС/GPS-приёмников является учёт влияния цифровой части приёмника на радиочастотную. Для уменьшения этого влияния обеспечиваются сильная развязка и экранирование радиочастотной части. Кроме этого, частоту дискретизации выбирают кратной частоте задающего генератора и всем промежуточным частотам.

Выбор числа уровней квантования в АЦП определяется, в основном, типом помех на входе приёмника. Если основным видом помех является белый гауссовский шум, то возможно применение малоуровневого квантования, вплоть до бинарного. Если помеха узкополосная стационарная, то необходимо большее число уровней квантования [5].

Согласно материалам, приведённым в [5], потери при применении бинарного квантования в условиях аддитивного белого гауссовского шу-ма не превышают 1 дБ при частоте дискретизации порядка 30...40 МГц. Дальнейшего снижения потерь можно добиться, применяя 3- или 4-уровневое квантование. Однако, принимая во внимание то, что увеличение числа уровней квантования приводит к почти такому же увеличению аппаратных затрат на реализацию коррелятора, применение многоуровневого квантования в условиях, когда на вход приёмника поступает смесь сигнала и белого гауссовского шума, нецелесообразно.

Совершенно иная картина наблюдается при наличии узкополосных стационарных помех.

С 2005 года система GLONASS должна перейти на диапазон излучаемых спутниками частот 1598,1...1604,3 МГц (6,2 МГц). На сегодняшний день по плану диапазон занимаемых частот должен быть перенесён в область 1605,4...1612,12 МГц. При ориентации на данную частоту возможно возникновение проблем, связанных с тем, что некоторые спутниковые системы излучают на частотах, близких к данной или находящихся в данном диапазоне:

• на частотах, близких к данному диапазону, излучает система SATCOM, низшая частота - 1626,5 МГц;
• в течении ближайших нескольких лет передатчики системы Mobil Satellite Service (MSS) начнут работать в диапазоне 1610...1626,5 МГц;
• диапазон 1610,6...1613,8 МГц отведён под нужды радиоастрономии.

При наличии взаимных помех однобитное квантование даёт потери порядка 7 дБ, по сравнению с идеальной линейной обработкой (без квантования или с числом уровней, близким к бесконечности). Для компенсации этих потерь применяют более сложные методы квантования, чем однобитное. Как сказано выше, применение большего числа уровней квантования приводит к существенному возрастанию аппаратных затрат на реализацию коррелятора. Компромиссом в этом случае может стать 2-бит квантование.

2-бит квантование характеризуется двумя параметрами - весовым коэффициентом W и порогом T (рис. 8). В [4] приводятся результаты теоретических и экспериментальных исследований различных типов 2-бит квантования:

• оптимальное 2-бит квантование (W и T оптимальны);
• обычное 2-бит квантование, W = 1/3, является оптимальным для случая смеси сигнала с гауссовским шумом;
• трёхуровневое квантование, W = 0, Topt, даёт максимальный иммунитет против взаимной помехи;
• однобитное квантование, полагается как особый случай 2-бит квантования при W = 1.

Рисунок 8. Выбор весового коэффициента и порога для 2-бит квантования

В [6] приводятся данные по уровню порога и весовым коэффициентам для наиболее часто используемых разновидностей квантования: 2-бит (рис. 9) и 3-бит (рис. 10).

Рисунок 9. Выбор уровня порога и весовых коэффициентов при 2-бит квантовании

Рисунок 10. Выбор уровня порога и весовых коэффициентов при 3-бит квантовании

По результатам теоретических и экспериментальных исследований оптимальным типом 2-бит квантования в условиях взаимных помех является трёх-уровневое квантование, когда W = 0.

В следующей статье цикла будут рассмотрены проблемы, связанные с многолучевым распространением сигналов навигационных спутников, и методы борьбы с многолучевостью в навигационных системах ГЛОНАСС/GPS.

Литература

1. Глобальная спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС/ Под ред. В.Н. Харисова, А.Ф. Перова, В.А. Болдина. М.: ИПРЖР, 1998.
2. Understanding GPS. Principles and application. Elliot D. Kaplan. 1996.
3. GP2010. GPS Receiver RF Front End. /Supersedes edition in August 1996 Global Positioning Products Handbook, HB4305-1.0 DS4056-3.4. October 1996.
4. Techniques for Improving Antijamming Performance of Civil GPS/GLONASS Receivers. Sergey V. Lyusin, Illia G. Khazanov. ION GPS, 1998.
5. Цифровые радиоприемные системы: Справочник / М.И. Жодзишский, Р.Б. Мазепа и др. / Под ред. М.И. Жодзишского. М.: Радио и связь, 1990.
6. Global Positioning System: Theory and Application. Volume I, Edited by Bradford W. Parkinson and James I. Spilker / GPS Receivers, A.J. Van Dierendonck.