RU2341898C2

RU2341898C2 - Receiver of satellite navigation with device for quick searching of navigation signals under conditions of object high dynamics

Info

Publication number: RU2341898C2
Application number: RU2006133413/09A
Authority: RU
Inventors: Александр Ефимович Фридман (RU); Александр Ефимович Фридман
Original assignee: Александр Ефимович Фридман
Priority date: 2006-09-19
Filing date: 2006-09-19
Publication date: 2008-12-20
Also published as: RU2006133413A

Abstract

FIELD: radio navigation.

SUBSTANCE: receiver contains radio frequency converter, N channel digital correlator with device for quick searching and shaper of time marker signals and calculator, in which device for quick searching contains input multiplexer of GPS/GLONASS, digital generator of carrier, mixer of carrier, shift register of signal, code register, M multiplexers of signal, M multiplexers of code, M mixers of code, M-input summator, integrator, unit for calculation of complex number module square, the second summator, RAM, unit for generation of RAM address, unit for maximum selection, threshold device and synchronizer. Device for quick searching provides coherent accumulation of signal at the interval of 1 ms with further non-coherent accumulation for the time set bt calculator depending on expected ratio of signal-noise.

EFFECT: reduction of time spent for signal searching.

5 dwg

Description

Изобретение относится к области радионавигации, а конкретно - к приемникам сигналов спутниковых радионавигационных систем (СНРС) ГЛОНАСС (Россия) [1] и GPS (США) [2], осуществляющих одновременный прием сигналов этих систем в частотном диапазоне L1 c кодовой модуляцией С/А кодом - кодом "стандартной точности".The invention relates to the field of radio navigation, and specifically to receivers of signals from satellite radio navigation systems (SNRS) GLONASS (Russia) [1] and GPS (USA) [2], which simultaneously receive signals from these systems in the frequency range L1 with C / A code modulation code - a code of "standard accuracy".

Известен приемник (Ito et al. GPS Receiver Using Software Correlation for Acquisition and Hardware Correlation for Tracking. US Patent 7002515, 21.02.2006), содержащий последовательно соединенные радиочастотный преобразователь, вычислитель, центральный процессор (ЦП), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и блок внешнего интерфейса. На фиг.1 представлена упрощенная функциональная схема навигационного приемника-аналога 101, на которой отражены только основные существенные функциональные блоки. Сигнал, принятый антенной 102, подается на радиочастотный блок 104, который его усиливает, фильтрует, выполняет преобразование на более низкие частоты и преобразует в цифровую форму. Радиочастотный блок 104 имеет два цифровых выхода: по одному из которых выдается сигнал GPS, а по другому - сигнал ГЛОНАСС. Оба этих сигнала подаются на вход блока цифровой обработки 106, содержащего несколько каналов корреляционной обработки, каждый из которых может подключаться ко входу GPS или ко входу ГЛОНАСС. Кроме того, в приемнике имеется задающий генератор 103, выполненный в виде обычного кварцевого генератора или температурно-компенсированного кварцевого генератора (ТСХО) и вырабатывающий опорную частоту для синтезатора частот гетеродинов радиочастотного блока 104, а также тактовые частоты для блока цифровой обработки 106 и цифрового сигнального процессора (DSP) 118. Каждый канал корреляционной обработки содержит умножитель 108, коррелятор 110, генератор несущей частоты 112, генератор кода 114 и интегратор 116. Умножитель 108 умножает входной сигнал на сигнал опорной частоты, поступающий от генератора несущей частоты 112. Коррелятор 110 умножает сигнал на копию псевдослучайного кода, соответствующего выбранному спутнику GPS или ГЛОНАСС. Копия псевдослучайного кода вырабатывается генератором кода 114. Выход коррелятора 110 интегрируется в интеграторе 116. Выход интегратора 116 подается на вход цифрового сигнального процессора (DSP) 118 для осуществления слежения за фазой несущей и фазой кода. Синфазная и квадратурная компоненты, передаваемые с выхода интегратора 116 на вход DSP 118, содержат информацию о фазе несущей и фазе кода, которая необходима для осуществления слежения.A known receiver (Ito et al. GPS Receiver Using Software Correlation for Acquisition and Hardware Correlation for Tracking. US Patent 7002515, 02/21/2006), containing a series-connected radio frequency converter, computer, central processing unit (CPU), random access memory (RAM), read-only memory (ROM) and an external interface unit. Figure 1 presents a simplified functional diagram of a navigation receiver-analogue 101, which reflects only the main essential functional blocks. The signal received by the antenna 102 is supplied to a radio frequency unit 104, which amplifies it, filters it, performs conversion to lower frequencies and digitizes it. The RF unit 104 has two digital outputs: one of which produces a GPS signal, and the other - a GLONASS signal. Both of these signals are fed to the input of the digital processing unit 106, which contains several correlation processing channels, each of which can be connected to the GPS input or to the GLONASS input. In addition, the receiver has a master oscillator 103, made in the form of a conventional crystal oscillator or temperature-compensated crystal oscillator (TLCO) and generates a reference frequency for the local oscillator frequency synthesizer of the radio frequency unit 104, as well as clock frequencies for the digital processing unit 106 and the digital signal processor (DSP) 118. Each correlation processing channel comprises a multiplier 108, a correlator 110, a carrier frequency generator 112, a code generator 114, and an integrator 116. A multiplier 108 multiplies the input signal by the reference frequency signal from the carrier frequency generator 112. The correlator 110 multiplies the signal by a copy of the pseudo-random code corresponding to the selected GPS or GLONASS satellite. A copy of the pseudo-random code is generated by the code generator 114. The output of the correlator 110 is integrated into the integrator 116. The output of the integrator 116 is fed to the input of a digital signal processor (DSP) 118 to monitor the carrier phase and code phase. In-phase and quadrature components transmitted from the output of the integrator 116 to the input of the DSP 118 contain information about the phase of the carrier and the phase of the code, which is necessary for tracking.

Совокупность генератора несущей 112, умножителя 108, интегратора 116 и DSP 118 работает как петля слежения за фазой несущей, которая компенсирует частотные сдвиги между различными частотными каналами ГЛОНАСС, а также сдвиг частоты задающего генератора 103 и Допплеровские сдвиги частоты спутниковых сигналов. Совокупность генератора кода 114, интегратора 116 и DSP 118 работает как петля слежения за фазой кода, которая компенсирует любые сдвиги по фазе кода принятого сигнала. Совокупность петли слежения за фазой несущей и петли слежения за фазой кода образует канал корреляционной обработки. Обычно блок цифровой обработки 106 содержит аппаратные средства для реализации от 12 до 24-х каналов корреляционной обработки.The combination of carrier generator 112, multiplier 108, integrator 116, and DSP 118 acts as a carrier phase tracking loop that compensates for frequency shifts between different GLONASS frequency channels, as well as the frequency offset of the master oscillator 103 and Doppler frequency shifts of satellite signals. The combination of code generator 114, integrator 116, and DSP 118 acts as a code phase tracking loop that compensates for any phase shift in the code of the received signal. The combination of the carrier phase tracking loop and the code phase tracking loop forms a correlation processing channel. Typically, the digital processing unit 106 comprises hardware for implementing from 12 to 24 channels of correlation processing.

Навигационный приемник 101 может работать в двух основных режимах: режиме поиска и режиме слежения. Режим поиска включается сразу же после включения питания. В этом режиме приемник 101 должен произвести поиск навигационного сигнала выбранного спутника GPS или ГЛОНАСС в некотором диапазоне псевдодопплеровских частот и некотором диапазоне фаз псевдослучайного кода. Поскольку период псевдослучайного кода GPS и ГЛОНАСС равен 1 мс, то полный диапазон фаз псевдослучайного кода соответствует диапазону задержек кода от 0 до 1 мс. Если сигнал выбранного спутника обнаружен, то один из каналов корреляционной обработки инициализируется в соответствии с частотой несущей и фазой кода обнаруженного сигнала, выбирается другой спутник GPS или ГЛОНАСС, и процесс поиска повторяется для нового выбранного спутника. Если сигнал выбранного спутника не обнаружен, то процесс поиска также повторяется для нового выбранного спутника, но инициализация канала корреляционной обработки не производится.The navigation receiver 101 can operate in two main modes: search mode and tracking mode. Search mode turns on immediately after power is turned on. In this mode, the receiver 101 must search for the navigation signal of the selected GPS or GLONASS satellite in a certain range of pseudo-Doppler frequencies and a certain phase range of the pseudo-random code. Since the period of the GPS and GLONASS pseudo-random code is 1 ms, the full phase range of the pseudo-random code corresponds to the code delay range from 0 to 1 ms. If the signal of the selected satellite is detected, one of the correlation processing channels is initialized in accordance with the carrier frequency and the code phase of the detected signal, another GPS or GLONASS satellite is selected, and the search process is repeated for the new selected satellite. If the signal of the selected satellite is not detected, then the search process is also repeated for the new selected satellite, but the correlation processing channel is not initialized.

Режим поиска остается основным до тех пор, пока не будет обнаружено необходимое для решения навигационной задачи количество сигналов спутников (4 спутника GPS или 4 спутника ГЛОНАСС, или всего 5 спутников смешанного созвездия), из этих сигналов не выделены навигационные данные, необходимые для решения навигационной задачи, и не выполнено первое решение навигационной задачи. После этого основным становится режим слежения, а поиск либо прекращается, либо выполняется параллельно со слежением в каналах корреляционной обработки время от времени для увеличения количества первичных измерений псевдодальностей и псевдодопплеровских частот на входе блока решения навигационной задачи и повышения геометрического фактора.The search mode remains basic until the number of satellite signals necessary for solving the navigation problem (4 GPS satellites or 4 GLONASS satellites, or only 5 mixed constellation satellites) is found, the navigation data necessary to solve the navigation problem is not extracted from these signals , and the first solution to the navigation problem has not been completed. After that, the tracking mode becomes the main one, and the search either stops or is performed in parallel with tracking in the channels of correlation processing from time to time to increase the number of primary measurements of pseudorange and pseudo-Doppler frequencies at the input of the block for solving the navigation problem and increase the geometric factor.

Во время режима поиска приемник 101 использует априорные данные. Например, в приемнике имеются сведения о номинальных несущих частотах сигналов GPS и ГЛОНАСС. Однако во многих случаях эти априорные данные являются слишком неточными для осуществления быстрого поиска. Во-первых, сдвиг частоты задающего генератора может достигать ±30 кГц в переводе на номинальную несущую частоту для недорогих устройств, применяемых в приемниках, предназначенных для массового потребительского рынка. Во вторых, Допплеровский сдвиг, вызванный относительным движением передающего спутника и навигационного приемника, изменяет частоту принятого сигнала. В случае высокой динамики объекта, на котором установлен приемник, Допплеровский сдвиг может также достигать ±30 кГц для объектов со скоростями до 6 км/с. Таким образом, в этих случаях поиск должен производиться в диапазоне частот ±30 кГц и диапазоне задержек от 0 до 1 мс.During the search mode, the receiver 101 uses a priori data. For example, the receiver has information about the nominal carrier frequencies of GPS and GLONASS signals. However, in many cases, these a priori data are too inaccurate for a quick search. Firstly, the frequency shift of the master oscillator can reach ± 30 kHz in translation to the nominal carrier frequency for low-cost devices used in receivers intended for the mass consumer market. Secondly, the Doppler shift caused by the relative motion of the transmitting satellite and the navigation receiver changes the frequency of the received signal. In the case of high dynamics of the object on which the receiver is mounted, the Doppler shift can also reach ± 30 kHz for objects with speeds up to 6 km / s. Thus, in these cases, the search should be performed in the frequency range of ± 30 kHz and the delay range from 0 to 1 ms.

Для выполнения такого поиска в навигационном приемнике применяется последовательная процедура, при которой последовательно перебираются все возможные комбинации значений несущей частоты и фазы кода из области поиска до тех пор, пока выход интегратора 116 не превысит некоторый порог, указывая на то, что сигнал обнаружен. Используя несколько каналов корреляционной обработки, можно организовать одновременный поиск в нескольких комбинациях несущая частота-фаза кода, тем самым сократив время до обнаружения сигнала.To perform such a search in the navigation receiver, a sequential procedure is used in which all possible combinations of the carrier frequency and code phase are searched from the search area until the output of the integrator 116 exceeds a certain threshold, indicating that a signal has been detected. Using several channels of correlation processing, it is possible to organize a simultaneous search in several combinations of the carrier frequency-phase of the code, thereby reducing the time until the signal is detected.

Однако в условиях высокой динамики объекта время, необходимое для обнаружения сигнала, очень велико, если для поиска используются обычные каналы корреляционной обработки, число которых не превышает 12-24, либо необходимое число каналов оказывается чрезвычайно большим, если обнаружение сигнала должно быть произведено за практически приемлемое время. В самом деле, количество возможных комбинаций несущая частота-фаза кода в области поиска можно оценить следующим образом:However, under conditions of high object dynamics, the time required for signal detection is very long if conventional correlation processing channels, the number of which does not exceed 12-24, are used for the search, or the required number of channels is extremely large if signal detection should be made for a practically acceptable time. In fact, the number of possible carrier-phase-code combinations in the search area can be estimated as follows:

гдеWhere

ΔF=60 кГц - размер области поиска по частоте;ΔF = 60 kHz - the size of the frequency search region;

δF=500 Гц - шаг поиска по частоте при времени накопления Т=1 мс в интеграторе 116;δF = 500 Hz — frequency search step at an accumulation time of T = 1 ms in integrator 116;

- отношение полного диапазона поиска по фазе кода к шагу поиска по фазе кода; при шаге поиска, равном 0,5 длительности символа псевдослучайного кода, имеем

для GPS, и

для ГЛОНАСС. Отсюда N≈2.4·10⁶ для GPS и N≈1.2·10⁶ для ГЛОНАСС. Полное время поиска сигнала одного спутника можно определить по формуле:

- the ratio of the full range of search by phase of the code to the search step by phase of the code; with a search step equal to 0.5 the duration of the pseudo-random code symbol, we have

for GPS, and

for GLONASS. Hence, N≈2.4 · 10 ⁶ for GPS and N≈1.2 · 10 ⁶ for GLONASS. The total search time for a signal from one satellite can be determined by the formula:

гдеWhere

Т_асс - время накопления при одной комбинации несущая частота-фаза кода.T _ass - accumulation time for one combination of carrier frequency-phase code.

N_ch - число параллельных каналов, участвующих в поиске.N _ch is the number of parallel channels involved in the search.

Поскольку мощность сигналов GPS и ГЛОНАСС чрезвычайно мала, время накопления Т_асс должно быть достаточно длительным, чтобы обеспечить приемлемые характеристики обнаружения сигналов. Обычно это время в навигационных приемниках составляет от 4-х до 20 мс. Тогда при времени накопления Т=10 мс и параллельном поиске N_ch=24-мя каналами полное время поиска сигнала одного спутника T_S1 составляет: 2.4·10⁵·10^-2/24=100 с для GPS и 1.2·10⁵·10^-2/24=50 с для ГЛОНАСС, что недопустимо много для большинства приложений.Since the power of GPS and GLONASS signals is extremely small, the accumulation time T _ass must be long enough to provide acceptable signal detection characteristics. Usually this time in navigation receivers is from 4 to 20 ms. Then, with the accumulation time T = 10 ms and the parallel search N _ch = 24 channels, the total signal search time for one satellite T _S1 is: 2.4 · 10 ⁵ · 10 ^-2 / 24 = 100 s for GPS and 1.2 · 10 ⁵ · 10 ^-2 / 24 = 50 s for GLONASS, which is unacceptably a lot for most applications.

Таким образом, существенным недостатком приемника-аналога является большое время поиска сигнала. Для уменьшения этого времени до приемлемых 1-3 с требуется от нескольких сотен до нескольких тысяч каналов корреляционной обработки, что существенно увеличивает размеры микросхемы, в которой реализуется цифровая обработка, ее энергопотребление и стоимость. В то же время, в режиме слежения нет необходимости в таком большом числе корреляционных каналов.Thus, a significant disadvantage of the analogue receiver is the long signal search time. To reduce this time to an acceptable 1-3 s, several hundred to several thousand channels of correlation processing are required, which significantly increases the size of the microcircuit that implements digital processing, its energy consumption and cost. At the same time, in tracking mode, there is no need for such a large number of correlation channels.

Наиболее близким является приемник (Best. GPS Receiver Having Dynamic Correlator Allocation Between a Memory-Enhanced Channel for Acquisition and Standard Channels for Tracking. US Patent 7,061,972, 13.06.2006), содержащий последовательно соединенные радиочастотный преобразователь, вход которого образует сигнальный вход приемника, и N канальный цифровой коррелятор, связанный посредством блока обмена данными с вычислителем, содержащим центральный процессор (ЦП), ОЗУ, ПЗУ и блок внешнего интерфейса, входы-выходы которого образуют информационные входы-выходы приемника, причем N канальный цифровой коррелятор содержит генератор временной шкалы приемника, несколько обычных каналов (далее «каналы слежения») и несколько каналов с дополнительной памятью (далее «поисковые каналы»), а каждый канал цифрового коррелятора содержит входной мультиплексор GPS/ГЛОНАСС, генератор несущей, смеситель несущей, генератор кода, смеситель кода и интегратор. На фиг.2 приведена упрощенная функциональная схема прототипа, содержащая антенну 212, радиочастотный блок 214, задающий генератор 216, несколько поисковых каналов 218, несколько каналов слежения 222 и сигнальный процессор 224. Каждый канал слежения 222 построен по известной схеме с генератором несущей 272, смесителем несущей 274, генератором кода 268, смесителем кода 276 и интегратором 278. Каждый поисковый канал 218 содержит генератор несущей 253, смеситель несущей 254, память выборок сигнала 244, генератор кода 246, смеситель кода 256 и интегратор 258.The closest is the receiver (Best. GPS Receiver Having Dynamic Correlator Allocation Between a Memory-Enhanced Channel for Acquisition and Standard Channels for Tracking. US Patent 7,061,972, 06/13/2006) containing a series-connected radio frequency converter, the input of which forms the signal input of the receiver, and N channel digital correlator, connected via a data exchange unit with a computer containing a central processing unit (CPU), RAM, ROM and an external interface unit, the inputs / outputs of which form the information inputs / outputs of the receiver, wherein the N channel digital correlator contains a receiver timeline generator, several conventional channels (hereinafter “tracking channels”) and several channels with additional memory (hereinafter “search channels”), and each channel of the digital correlator contains an input GPS / GLONASS multiplexer, a carrier generator, a carrier mixer, a code generator, code mixer and integrator. Figure 2 shows a simplified functional diagram of a prototype containing an antenna 212, a radio frequency block 214, a generator 216, several search channels 218, several tracking channels 222 and a signal processor 224. Each tracking channel 222 is constructed according to a known scheme with a carrier generator 272, a mixer carrier 274, code generator 268, code mixer 276, and integrator 278. Each search channel 218 comprises a carrier generator 253, carrier mixer 254, signal sample memory 244, code generator 246, code mixer 256, and integrator 258.

В режиме поиска оцифрованные выборки комплексного сигнала с выхода радиочастотного блока 214 после компенсации в смесителе несущей 254 частотного смещения, вызванного смещением частоты задающего генератора и взаимным движением спутника и приемника, когерентно накапливаются в памяти 244, образуя так называемую супервыборку сигнала. Длительность когерентного накопления в памяти 244 составляет 20 мс, что соответствует длительности одного бита навигационного сообщения. По истечении 20 мс супервыборка подвергается корреляционной обработке, при которой выборки сигнала, из которых состоит супервыборка, последовательно умножаются в смесителе кода 256 на СА-код, генерируемый генератором кода 246, а результат умножения интегрируется в интеграторе 258 и результат интегрирования сравнивается с порогом обнаружения. Если частота несущей, генерируемая в генераторе 253, совпадает или достаточно близка к частоте входного сигнала и фаза кода, генерируемого в генераторе 246, достаточно близка к фазе кода входного сигнала, то результат на выходе интегратора 258 содержит сигнал плюс шум и с большой вероятностью превысит порог обнаружения. В противном случае результат на выходе интегратора 258 содержит только шум и с большой вероятностью не превысит порог обнаружения. В этом случае процесс корреляционной обработки повторяется с другой начальной фазой кода, генерируемого генератором кода 246, до тех пор, пока не будут пройдены все возможные 2046 значений фазы кода.In the search mode, the digitized samples of the complex signal from the output of the radio frequency unit 214 after compensation in the mixer of the carrier 254 of the frequency offset caused by the frequency offset of the master oscillator and the mutual movement of the satellite and the receiver are coherently accumulated in the memory 244, forming the so-called super-sampling signal. The duration of the coherent accumulation in the memory 244 is 20 ms, which corresponds to the duration of one bit of the navigation message. After 20 ms, the super-sample is subjected to correlation processing, in which the signal samples that make up the super-sample are sequentially multiplied in the code mixer 256 by the CA-code generated by the code generator 246, and the multiplication result is integrated in the integrator 258 and the integration result is compared with the detection threshold. If the carrier frequency generated in the generator 253 matches or is close enough to the frequency of the input signal and the phase of the code generated in the generator 246 is close enough to the phase of the code of the input signal, then the result at the output of the integrator 258 contains the signal plus noise and is likely to exceed the threshold detection. Otherwise, the result at the output of the integrator 258 contains only noise and with a high probability will not exceed the detection threshold. In this case, the correlation processing is repeated with a different initial phase of the code generated by the code generator 246, until all possible 2046 values of the code phase are passed.

Для ускорения поиска в приемнике-прототипе дополнительно используются смесители кода 276 и интеграторы 278 нескольких следящих каналов 222. При этом производятся переключения в схеме следящих каналов таким образом, что на один вход смесителя кода 276 подаются те же элементы супервыборки из памяти 244, что и на вход смесителя кода 256, а на другой вход смесителя кода 276 подается СА-код, генерируемый генератором кода 246 и задержанный на один или несколько символов СА кода. Благодаря этому на выходах интеграторов 258 и 278 формируются корреляционные интегралы сразу для нескольких значений фазы СА-кода, и время прохода всех 2046 значений фазы кода уменьшается в N_ch раз, где N_ch - общее количество каналов, включая поисковые и следящие, смесители которых подключены к памяти 244.To speed up the search in the prototype receiver, code 276 mixers and integrators 278 of several servo channels 222 are additionally used. In this case, switching is made in the servo channel circuit so that the same super-sampling elements from memory 244 are fed to one input of the code 276 mixer as the input of the code mixer 256, and a CA code generated by the code generator 246 and delayed by one or more characters of the CA code is supplied to the other input of the code mixer 276. Due to this, at the outputs of integrators 258 and 278, correlation integrals are formed for several CA code phase values at once, and the transit time of all 2046 code phase values decreases by a factor of N _ch , where N _ch is the total number of channels, including search and tracking, whose mixers are connected to memory 244.

Недостатками прототипа являются:The disadvantages of the prototype are:

- эффективная полоса поиска в частотной области при одном проходе по всем 2046 значениям фазы СА-кода сокращается до 50 Гц из-за предварительного когерентного накопления в супервыборке 20 мс. Поэтому дальнейший поиск в полном частотном диапазоне ±30 кГц должен производиться с шагом 25 Гц, и полное время поиска сигнала одного спутника составит 2·30·10³·20·10^-3/25 с=48 с, что недопустимо много для большинства приложений;- the effective search band in the frequency domain with one pass over all 2046 values of the phase of the CA code is reduced to 50 Hz due to preliminary coherent accumulation in the super-sample of 20 ms. Therefore, further search in the full frequency range of ± 30 kHz should be carried out with a step of 25 Hz, and the total search time of a signal from one satellite will be 2 · 30 · 10 ³ · 20 · 10 ^-3 / 25 s = 48 s, which is unacceptable for most applications ;

- за время когерентного накопления 20 мс при больших псевдодопплеровских частотах смещение фазы кода сигнала может достигать 0,5÷1 символа СА-кода, в результате чего когерентное сложение сигнала в памяти 244 будет происходить с разными фазами СА-кода, и уровень сигнала в накопленной супервыборке существенно снизится;- during the coherent accumulation time of 20 ms at large pseudo-Doppler frequencies, the phase shift of the signal code can reach 0.5 ÷ 1 CA-code symbol, as a result of which coherent signal addition in the memory 244 will occur with different phases of the CA-code, and the signal level in the accumulated super-sampling will decrease significantly;

- примененная в прототипе процедура порогового обнаружения не обеспечивает надежного обнаружения даже сильного сигнала, поскольку при большом числе возможных комбинаций несущая частота-фаза кода в области поиска велика вероятность превышения порога в результате воздействия шума или боковых лепестков взаимной корреляционной функции между сигналом и его копией;- the threshold detection procedure used in the prototype does not provide reliable detection of even a strong signal, since with a large number of possible combinations the carrier frequency-phase of the code in the search area is likely to exceed the threshold due to the influence of noise or side lobes of the mutual correlation function between the signal and its copy;

- накопление супервыборки в памяти 244 должно быть синхронизировано с границей бита навигационного сообщения, а данные для такой синхронизации могут быть получены только от внешнего источника, т.е. работа приемника-прототипа в полностью автономном режиме невозможна.- the accumulation of super-samples in memory 244 must be synchronized with the bit boundary of the navigation message, and data for such synchronization can be obtained only from an external source, i.e. operation of the prototype receiver in a fully autonomous mode is not possible.

Предлагаемым изобретением решается задача сокращения времени поиска сигнала спутника до 1÷3 с при большом числе N возможных комбинаций несущая частота-фаза кода в области поиска (N=1.2·10⁶÷2.5·10⁶) без снижения уровня сигнала из-за смещения фазы СА-кода на интервале накопления, без существенного увеличения объема аппаратуры и без необходимости получения данных от внешних источников.The present invention solves the problem of reducing the satellite signal search time to 1 ÷ 3 s with a large number N of possible combinations of the carrier frequency-phase code in the search area (N = 1.2 · 10 ⁶ ÷ 2.5 · 10 ⁶ ) without reducing the signal level due to phase shift CA-code on the accumulation interval, without a significant increase in the volume of equipment and without the need to obtain data from external sources.

Для достижения этого технического результата в приемник спутниковой навигации с устройством быстрого поиска навигационных сигналов в условиях высокой динамики объекта, содержащий последовательно соединенные радиочастотный преобразователь, вход которого образует сигнальный вход приемника, и N канальный цифровой коррелятор, связанный посредством блока обмена данными с вычислителем, содержащим связанные шиной обмена данными центральный процессор (ЦП), ОЗУ, ПЗУ и блок внешнего интерфейса, входы-выходы которого образуют информационные входы-выходы приемника, причем N канальный цифровой коррелятор содержит генератор временной шкалы приемника, а каждый канал цифрового коррелятора содержит входной мультиплексор GPS/ГЛОНАСС, генератор несущей, смеситель несущей, генератор кода, смеситель кода и интегратор, дополнительно введено устройство быстрого поиска, содержащее синхронизатор, входной мультиплексор GPS/ГЛОНАСС, генератор несущей, смеситель несущей, один вход которого соединен с выходом генератора несущей, а второй вход соединен с выходом мультиплексора GPS/ГЛОНАСС, сдвиговый регистр комплексного сигнала, вход которого соединен с выходом смесителя несущей, регистр кода, первую группу М мультиплексоров, каждый из которых имеет К входов, причем j-й вход i-го мультиплексора соединен с (j+(i-1)·K)-м разрядом сдвигового регистра комплексного сигнала, а входы управления всех мультиплексоров соединены с выходом синхронизатора, вторую группу М мультиплексоров, каждый из которых имеет К входов, причем j-й вход i-го мультиплексора соединен с (j+(i-1)·К)-м разрядом регистра кода, а входы управления всех мультиплексоров соединены с выходом синхронизатора, М смесителей кода, причем один вход i-го смесителя кода соединен с выходом i-го мультиплексора из первой группы мультиплексоров, а второй вход i-го смесителя кода соединен с выходом i-го мультиплексора из второй группы мультиплексоров, М-входовой сумматор, входы которого соединены с выходами смесителей кода, интегратор, вход которого соединен с выходом М-входового сумматора, блок формирования квадрата модуля комплексного сигнала, вход которого соединен с выходом интегратора, второй сумматор, запоминающее устройство (ОЗУ), блок формирования адреса ОЗУ, причем один вход сумматора соединен с выходом блока формирования квадрата модуля комплексного сигнала, а второй вход соединен с выходом ОЗУ, причем вход ОЗУ соединен с выходом второго сумматора, а вход адреса ОЗУ соединен с выходом блока формирования адреса ОЗУ, блок выбора максимума, один вход которого соединен с выходом ОЗУ, а второй вход соединен с выходом блока формирования адреса ОЗУ, и пороговое устройство, вход которого соединен с выходом блока выбора максимума, а выход является выходом устройства быстрого поиска.To achieve this technical result, a satellite navigation receiver with a device for fast search of navigation signals in conditions of high object dynamics, containing a series-connected radio frequency converter, the input of which forms the signal input of the receiver, and an N channel digital correlator connected by means of a data exchange unit with a computer containing data exchange bus central processor (CPU), RAM, ROM and external interface unit, the inputs and outputs of which form information receiver outputs, moreover, the N channel digital correlator contains a receiver timeline generator, and each channel of the digital correlator contains a GPS / GLONASS input multiplexer, a carrier generator, a carrier mixer, a code generator, a code mixer and an integrator, and a quick search device containing a synchronizer is additionally introduced , input GPS / GLONASS multiplexer, carrier generator, carrier mixer, one input of which is connected to the output of the carrier generator, and the second input is connected to the output of the GPS / GLONASS multiplexer, the complex signal register, the input of which is connected to the output of the carrier mixer, the code register, the first group of M multiplexers, each of which has K inputs, and the j-th input of the i-th multiplexer is connected to (j + (i-1) · K) - m discharge of the shift register of the complex signal, and the control inputs of all multiplexers are connected to the synchronizer output, the second group of M multiplexers, each of which has K inputs, and the j-th input of the i-th multiplexer is connected to (j + (i-1) · K) -th digit of the code register, and the control inputs of all multiplexers are connected are connected with the output of the synchronizer, M code mixers, moreover, one input of the i-th code mixer is connected to the output of the i-th multiplexer from the first group of multiplexers, and the second input of the i-th code mixer is connected to the output of the i-th multiplexer from the second group of multiplexers, M -input adder, the inputs of which are connected to the outputs of the code mixers, an integrator, the input of which is connected to the output of the M-input adder, a block for generating the square of the complex signal module, the input of which is connected to the output of the integrator, the second adder, which stores property (RAM), the RAM address generation unit, and one adder input is connected to the output of the complex signal module square forming unit, and the second input is connected to the RAM output, the RAM input is connected to the output of the second adder, and the RAM address input is connected to the output of the formation unit RAM addresses, the maximum selection unit, one input of which is connected to the RAM output, and the second input is connected to the output of the RAM address generation unit, and the threshold device, the input of which is connected to the output of the maximum selection unit, and the output is the output of the device A quick search-keeping.

Признаки, отличающие предлагаемый приемник спутниковой навигации с устройством быстрого поиска навигационных сигналов от прототипа, обеспечивают решение технической задачи сокращения времени поиска сигнала спутника до 1÷3 с при большом числе N возможных комбинаций несущая частота-фаза кода в области поиска (N=1.2·10⁶÷2.5·10⁶) без снижения уровня сигнала из-за смещения фазы СА-кода на интервале накопления, без существенного увеличения объема аппаратуры и без необходимости получения данных от внешних источников.The features distinguishing the proposed satellite navigation receiver with a quick search of navigation signals from the prototype provide a solution to the technical problem of reducing the satellite signal search time to 1 ÷ 3 s with a large number N of possible combinations of the carrier frequency-phase code in the search area (N = 1.2 · 10 ⁶ ÷ 2.5 · 10 ⁶ ) without reducing the signal level due to the phase shift of the CA code on the accumulation interval, without a significant increase in the volume of equipment and without the need to obtain data from external sources.

На фиг.1 представлена функциональная схема приемника аналога.Figure 1 presents the functional diagram of the receiver of the analogue.

На фиг.2 представлена функциональная схема приемника прототипа.Figure 2 presents the functional diagram of the receiver of the prototype.

На фиг.3 представлена функциональная схема заявляемого приемника спутниковой навигации с устройством быстрого поиска.Figure 3 presents a functional diagram of the inventive satellite navigation receiver with a quick search device.

На фиг.4 представлена функциональная схема устройства быстрого поиска.Figure 4 presents a functional diagram of a quick search device.

На фиг.5 представлены временные диаграммы, поясняющие работу устройства быстрого поиска.5 is a timing chart explaining the operation of the quick search device.

Предлагаемый приемник спутниковой навигации с устройством быстрого поиска навигационных сигналов в условиях высокой динамики объекта работает следующим образом (фиг.3). Принятые антенной 312 сигналы СРНС GPS и ГЛОНАСС частотного диапазона L1 поступают на сигнальный вход радиочастотного преобразователя 314, в котором они усиливаются, фильтруются, переносятся на видеочастоту, и оцифровываются. При этом радиочастотный преобразователь производит выделение синфазной и квадратурной составляющих сигнала диапазона L1 GPS и сигнала диапазона L1 ГЛОНАСС. Таким образом на одном выходе радиочастотного блока 314 формируется цифровой комплексный сигнал GPS, а на втором выходе - цифровой комплексный сигнал ГЛОНАСС. В режиме поиска центральный процессор 324 по любому подходящему алгоритму последовательно перебирает все существующие в системах GPS и ГЛОНАСС спутники. Для очередного выбранного спутника центральный процессор через блок обмена 323 выдает команду в устройство быстрого поиска 318 на подключение ко входу GPS или ГЛОНАСС, установку СА-кода или псевдослучайного кода, соответствующего выбранному спутнику GPS или ГЛОНАСС, а также на установку определенной частоты несущей, которая соответствует выбранному спутнику и выбранной полосе поиска по частоте. Ширина полосы поиска по частоте составляет 1 кГц, поэтому процессор последовательно перебирает все частоты из области поиска с шагом, например, 500 Гц. Время dTs, затрачиваемое устройством быстрого поиска на поиск сигнала заданного спутника при заданной центральной частоте полосы поиска, зависит от времени накопления Т_асс, которое также задается процессором в зависимости от ожидаемого уровня сигнала спутника, а точнее от ожидаемого отношения сигнал/шум. Например, для отношения сигнал/шум 40 дБГц рекомендуемое значение Т_асс=20 мс, при этом отношение сигнал/шум в результате накопления составит 23 дБ, а время поиска в заданной частотной полосе dTs=Т_асс+1 мс=21 мс. Для отношения сигнал/шум 20 дБГц рекомендуемое значение Т_асс=2 с, при этом отношение сигнал/шум в результате накопления также составит 23 дБ, а время поиска в заданной частотной полосе dTs=2 с.The proposed satellite navigation receiver with a device for quick search of navigation signals in conditions of high dynamics of the object works as follows (figure 3). Received by the antenna 312, the SRNS GPS and GLONASS signals of the frequency range L1 are received at the signal input of the radio frequency converter 314, in which they are amplified, filtered, transferred to the video frequency, and digitized. In this case, the radio frequency converter extracts the in-phase and quadrature components of the GPS L1 range signal and GLONASS L1 range signal. Thus, a digital complex GPS signal is generated at one output of the radio-frequency unit 314, and a digital complex GLONASS signal is generated at the second output. In search mode, the central processor 324, according to any suitable algorithm, sequentially iterates over all the satellites existing in GPS and GLONASS systems. For the next selected satellite, the central processor through the exchange unit 323 issues a command to the quick search device 318 to connect to the GPS or GLONASS input, set the CA code or pseudo-random code corresponding to the selected GPS or GLONASS satellite, and also to set a specific carrier frequency that corresponds to selected satellite and selected frequency search band. The frequency search bandwidth is 1 kHz, so the processor sequentially iterates over all frequencies from the search area in increments of, for example, 500 Hz. The time dTs spent by the quick search device to search for a signal of a given satellite at a given center frequency of the search band depends on the accumulation time T _ass , which is also set by the processor depending on the expected satellite signal level, or rather, on the expected signal-to-noise ratio. For example, for a signal-to-noise ratio of 40 dBHz, the recommended value is T _ass = 20 ms, while the signal-to-noise ratio as a result of accumulation is 23 dB, and the search time in a given frequency band is dTs = T _ass + 1 ms = 21 ms. For a signal-to-noise ratio of 20 dBHz, the recommended value is T _ass = 2 s, while the signal-to-noise ratio as a result of accumulation will also be 23 dB, and the search time in a given frequency band is dTs = 2 s.

По окончании поиска в заданной частотной полосе устройство быстрого поиска 318 через блок обмена 323 выдает в центральный процессор 324 сообщение, которое содержит информацию о том, превышен или нет установленный в устройстве быстрого поиска порог обнаружения, а также значение фазы кода, соответствующее максимальной амплитуде накопленного сигнала. Если порог превышен, центральный процессор 324 через блок обмена 323 выдает в один из свободных каналов слежения N канального цифрового коррелятора 322 данные целеуказания, необходимые для инициализации петель слежения по фазе и задержке, т.е. центральную частоту, которая была установлена перед этим в устройстве быстрого поиска, и фазу кода, соответствующую максимальной амплитуде накопленного сигнала. На фиг.3 показан только один канал слежения N канального цифрового коррелятора при N=1, а в общем случае N канальный цифровой коррелятор представляет собой совокупность N таких каналов. Устройство и функционирование составных частей 346, 358, 372, 374, 376 канала слежения 322 аналогичны устройству и функционированию блоков 268, 278, 272, 274, 276 приемника прототипа на фиг.2 с тем лишь дополнением, что в канал слежения 322 (фиг.3) дополнительно введен входной мультиплексор GPS/ГЛОНАСС 371 для обеспечения возможности подключения этого канала к выходу GPS или выходу ГЛОНАСС радиочастотного преобразователя 314. После выдачи целеуказания в канал слежения центральный процессор выдает команду в устройство быстрого поиска для установки следующей частотной полосы поиска сигнала того же спутника, и описанный выше процесс поиска повторяется для вновь установленной частотной полосы. В то же время в инициализированном перед этим канале слежения продолжается слежение за фазой и задержкой сигнала с одновременной оценкой его амплитуды. По окончании поиска во вновь заданной частотной полосе центральный процессор сравнивает вновь полученную от устройства амплитуду сигнала As с амплитудой из канала слежения At, и если As>At, выдает новую команду в тот же канал слежения для его инициализации в соответствии с последней установленной в устройстве быстрого поиска центральной частотой и полученной от него фазой кода максимального накопленного сигнала. Если же As≤At, то никаких команд в канал слежения не выдается, и он продолжает непрерывное слежение за тем же сигналом.At the end of the search in a given frequency band, the quick search device 318 through the exchange unit 323 issues a message to the central processor 324 that contains information about whether the detection threshold set in the quick search device is exceeded or not, as well as the code phase value corresponding to the maximum amplitude of the accumulated signal . If the threshold is exceeded, the central processor 324 through the exchange unit 323 provides, in one of the free tracking channels of the N channel digital correlator 322, target designation data necessary to initialize the tracking loops in phase and delay, i.e. the center frequency that was previously set in the quick search device, and the phase of the code corresponding to the maximum amplitude of the accumulated signal. Figure 3 shows only one tracking channel of the N channel digital correlator at N = 1, and in the general case, the N channel digital correlator is a collection of N such channels. The device and functioning of the components 346, 358, 372, 374, 376 of the tracking channel 322 are similar to the device and the functioning of the receiver units 268, 278, 272, 274, 276 of the prototype of FIG. 2 with the addition that to the tracking channel 322 (FIG. 3) an input GPS / GLONASS 371 multiplexer was additionally introduced to enable this channel to be connected to the GPS output or GLONASS output of the radio frequency converter 314. After targeting the tracking channel, the central processor issues a command to the quick search device to set the next frequency of the search band of the signal of the same satellite, and the search process described above is repeated for the newly set frequency band. At the same time, phase tracking and signal delay with the simultaneous estimation of its amplitude continue in the tracking channel initialized before this. At the end of the search in the newly defined frequency band, the central processor compares the signal amplitude As received from the device with the amplitude from the tracking channel At, and if As> At, issues a new command to the same tracking channel to initialize it according to the last installed in the device searching for the central frequency and the code phase of the maximum accumulated signal obtained from it. If As≤At, then no commands are issued to the tracking channel, and it continues to continuously monitor the same signal.

Описанный выше процесс повторяется для всех значений частот с установленным шагом из полной области поиска. В результате по окончании перебора всех этих частот выбранный канал слежения будет следить за сигналом с максимальной амплитудой, если при одной или нескольких комбинациях несущая частота-фаза кода из области поиска произошло превышение порога обнаружения. В этом случае сигнал считается обнаруженным, следящий канал продолжает слежение, и в нем выполняются известные операции по выделению навигационного сообщения. В то же время по командам центрального процессора повторяется описанный выше процесс поиска для следующего выбранного центральным процессором спутника.The process described above is repeated for all frequency values with a set step from the full search area. As a result, at the end of enumeration of all these frequencies, the selected tracking channel will monitor the signal with maximum amplitude if, for one or more combinations of the carrier frequency-phase of the code from the search area, the detection threshold is exceeded. In this case, the signal is considered detected, the tracking channel continues tracking, and it performs known operations to highlight the navigation message. At the same time, according to the instructions of the central processor, the search process described above is repeated for the next satellite selected by the central processor.

По окончании перебора всех спутников все сигналы видимых спутников будут обнаружены, и соответствующие им следящие каналы будут выдавать в центральный процессор соответствующие оценки несущих частот, фаз кода и битов навигационных сообщений. На основании этих данных центральный процессор известными методами производит оценку псевдодальностей и псевдодопплеровских частот и декодирует навигационные сообщения, а после получения эфемерид из декодированных навигационных сообщений известными методами решает навигационную задачу, выдавая потребителю информацию о местоположении и векторе скорости через блок внешнего интерфейса 327.Upon completion of enumeration of all satellites, all signals of visible satellites will be detected, and the corresponding tracking channels will give the central processor corresponding estimates of the carrier frequencies, code phases, and bits of the navigation messages. Based on this data, the central processor uses known methods to evaluate pseudorange and pseudo-Doppler frequencies and decodes navigation messages, and after receiving ephemeris from decoded navigation messages, it solves the navigation problem by known methods, giving the consumer information about the location and speed vector through the external interface unit 327.

Устройство быстрого поиска (фиг.4) работает следующим образом. Перед началом поиска по команде центрального процессора в генератор несущей 353 записывается значение центральной частоты выбранной центральным процессором полосы поиска, вход смесителя несущей 354 через мультиплексор 351 с помощью сигнала GP/GL подключается к сигнальному входу GPS или ГЛОНАСС в соответствии с принадлежностью выбранного спутника, а в регистр кода 362 записываются отсчеты копии СА-кода или псевдослучайного кода выбранного спутника. Количество записанных отсчетов равно количеству тактов частоты выборки сигнала за 1 мс. Так, при частоте выборки Fs=2,5 МГц количество отсчетов в регистре кода равно 2500.The quick search device (figure 4) works as follows. Before starting the search by the command of the central processor, the value of the center frequency of the search band selected by the central processor is recorded in the carrier generator 353, the input of the carrier mixer 354 is connected via the GP / GL signal to the GPS or GLONASS signal input in accordance with the selected satellite, using the GP / GL signal, and code register 362 samples of a copy of the CA code or pseudo-random code of the selected satellite are recorded. The number of recorded samples is equal to the number of clock cycles of the signal sampling frequency for 1 ms. So, at a sampling frequency of Fs = 2.5 MHz, the number of samples in the code register is 2500.

После этого по ближайшему сигналу миллисекундной эпохи (Epoch₀), поступающему от генератора временной шкалы приемника 319 один раз каждую миллисекунду, начинается запись комплексных цифровых отсчетов с выхода смесителя несущей 354 в сдвиговый регистр сигнала 361. Запись в сдвиговый регистр тактируется основной частотой выборки Fs, и если например Fs=2,5 МГц, то количество отсчетов, записываемых в регистр сигнала 361 в течение 1 мс, равно 2500. Если сигнал спутника попадает в текущую частотную полосу поиска, то изменение фазы записываемого сигнала в течение 1 мс не превышает π/2. Для когерентного накопления можно считать эту фазу постоянной на интервале 1 мс.After that, according to the nearest signal of the millisecond era (Epoch ₀ ) coming from the generator of the receiver timeline 319 once every millisecond, the recording of complex digital samples starts from the output of the carrier mixer 354 to the shift register of signal 361. Writing to the shift register is clocked by the main sampling frequency Fs, and if, for example, Fs = 2.5 MHz, then the number of samples recorded in the 361 signal register for 1 ms is 2500. If the satellite signal falls into the current search frequency band, then the phase change of the recorded signal during of 1 ms do not exceed π / 2. For coherent accumulation, this phase can be considered constant over an interval of 1 ms.

После поступления следующего сигнала миллисекундной эпохи (Epoch₁) включается блок синхронизации 346 и блок формирования адреса ОЗУ 366, работа которых поясняется временными диаграммами фиг.5. Блок синхронизации 346, по-существу, представляет собой обычный двоичный счетчик, выход которого линейно изменяется в диапазоне от 0 до К-1 на периоде, равном K/Fclk. Например, если К=10, как показано на фиг.5, то период выходного сигнала блока синхронизации равен периоду тактовой частоты выборки Fs.After the arrival of the next signal of the millisecond era (Epoch ₁ ), the synchronization unit 346 and the RAM address generation unit 366 are turned on, the operation of which is illustrated by the timing diagrams of FIG. 5. Synchronization block 346 is essentially a regular binary counter, the output of which varies linearly in the range from 0 to K-1 for a period equal to K / Fclk. For example, if K = 10, as shown in FIG. 5, then the period of the output signal of the synchronization block is equal to the period of the sample clock frequency Fs.

Такое равенство периодов существенно для работы заявляемого устройства. Оно обеспечивается выбором:Such equality of periods is essential for the operation of the claimed device. It is provided by a choice:

На первом такте частоты Fclk значение сигнала управления к=0 на всех мультиплексорах первой и второй групп, поэтому на i-й смеситель кода 356 подается сигнал с (i·K)-го разряда сдвигового регистра сигнала 361 и сигнал с (i·K)-го разряда регистра кода 362, а выходы всех смесителей суммируются в М-входовом сумматоре 344. Значение полученной суммы с выхода М-входового сумматора 344 передается в интегратор 345, где она складывается с ранее накопленным значением, которое на первом такте частоты Fclk равно нулю.At the first clock cycle of the frequency Fclk, the value of the control signal is k = 0 on all multiplexers of the first and second groups, therefore, the signal from the (i · K) th digit of the shift register of signal 361 and the signal from (i · K) are supplied to the ith mixer of code 356 -th digit of the code register 362, and the outputs of all mixers are summed in the M-input adder 344. The value of the received sum from the output of the M-input adder 344 is transmitted to the integrator 345, where it is added to the previously accumulated value, which is equal to zero on the first clock frequency Fclk .

На втором такте частоты Fclk значение сигнала управления к=1 на всех мультиплексорах первой и второй групп, поэтому на i-й смеситель кода 356 подается сигнал с (1+(i·K))-го разряда сдвигового регистра сигнала 361 и сигнал с (1+(i·K))-го разряда регистра кода 362. Выход М-входового сумматора снова суммируется в интеграторе 345 с ранее накопленным значением.At the second clock cycle of the frequency Fclk, the value of the control signal is k = 1 on all multiplexers of the first and second groups, therefore, the signal from the (1+ (i · K)) -th bit of the shift register of signal 361 and the signal from ( 1+ (i · K)) -th category of code register 362. The output of the M-input adder is again summed in the integrator 345 with the previously accumulated value.

Далее этот процесс повторяется для к=2, 3, ..., 9. В результате в интеграторе 345 накапливается значение:Further, this process is repeated for k = 2, 3, ..., 9. As a result, the value accumulates in the integrator 345:

гдеWhere

z_n, n=0, ... КМ-1 - отсчеты комплексного сигнала из регистра сигнала 361;z _n , n = 0, ... KM-1 - samples of the complex signal from the signal register 361;

С_n, n=0, ... КМ-1 - отсчеты копии из регистра кода 362.With _n , n = 0, ... KM-1 - samples of the copy from the code register 362.

Таким образом, значение накопленной суммы в интеграторе 345 в конце первого периода частоты выборки Fs равно корреляционному интегралу при нулевой фазе копии СА-кода или псевдослучайного кода относительно миллисекундной эпохи приемника. Выражение (4) означает когерентное накопление сигнала на интервале 1 мс. По первому тактовому сигналу частоты Fs в блоке 363 формируется значение квадрата модуля накопленного сигнала, и это значение суммируется в сумматоре 364 с ранее накопленным значением, хранящимся в 0-й ячейке ОЗУ 365, которое в рассматриваемом (первом) миллисекундном интервале равно нулю.Thus, the value of the accumulated sum in the integrator 345 at the end of the first period of the sampling frequency Fs is equal to the correlation integral at the zero phase of the copy of the CA code or pseudo-random code relative to the millisecond era of the receiver. Expression (4) means the coherent accumulation of a signal over an interval of 1 ms. According to the first clock signal of the frequency Fs, in block 363, the square of the module of the accumulated signal is generated, and this value is summed in the adder 364 with the previously accumulated value stored in the 0th cell of RAM 365, which is zero in the considered (first) millisecond interval.

По первому тактовому сигналу частоты Fs адрес на выходе блока формирования адреса 366 увеличивается на 1 и становится равным А=1, а содержимое регистра сигнала 361 сдвигается вправо на один бит, и в нулевой разряд этого регистра записывается новое текущее значение сигнала. Таким образом, содержимое n-го разряда регистра сигнала можно теперь записать как z_n+1, n=0, ... KM. Кроме того, благодаря соотношению (3) значение на выходе блока синхронизации 346 к=0, и далее процесс накопления корреляционного интеграла снова выполняется в течение нового периода частоты выборки Fs для к=0, 1, ..., 9, как это показано на фиг.5. В конце этого периода накопленное в интеграторе значение равно:According to the first clock signal of the frequency Fs, the address at the output of the address generating unit 366 increases by 1 and becomes equal to A = 1, and the contents of the signal register 361 are shifted to the right by one bit, and a new current signal value is written to the zero bit of this register. Thus, the contents of the nth bit of the signal register can now be written as z _{n + 1} , n = 0, ... KM. In addition, due to relation (3), the value at the output of the synchronization block is 346 k = 0, and then the accumulation of the correlation integral is again performed for a new period of the sampling frequency Fs for k = 0, 1, ..., 9, as shown in figure 5. At the end of this period, the value accumulated in the integrator is:

и по следующему тактовому сигналу частоты выборки Fs в блоке 363 формируется значение квадрата модуля накопленного сигнала S₁, и это значение модуля суммируется в сумматоре 364 с ранее накопленным значением, хранящимся в 1-й ячейке ОЗУ 365, которое в рассматриваемом (первом) миллисекундном интервале равно нулю.and according to the next clock signal of the sampling frequency Fs in block 363, the module squared value of the accumulated signal S ₁ is generated, and this module value is summed in the adder 364 with the previously accumulated value stored in the 1st RAM cell 365, which is in the considered (first) millisecond interval equals zero.

Описанный выше процесс корреляции повторяется в течение 1 мс для остальных (KM - 2) периодов частоты выборки Fs. В результате в ОЗУ 365 оказываются записанными значения квадратов модулей корреляционных интегралов для всех возможных фаз кода с шагом, соответствующим частоте выборки Fs:The correlation process described above is repeated for 1 ms for the remaining (KM - 2) periods of the sampling frequency Fs. As a result, in RAM 365, the values of the squares of the modules of the correlation integrals are recorded for all possible phases of the code with a step corresponding to the sampling frequency Fs:

После поступления следующего сигнала миллисекундной эпохи (Epoch₁) описанный выше процесс корреляции повторяется в течение следующего миллисекундного интервала, и в момент поступления следующего сигнала миллисекундной эпохи (Epoch₂) в m-ю ячейку ОЗУ 365 оказывается записанной сумма квадратов модулей корреляционных интегралов для m-й фазы кода, полученных на первом и втором миллисекундном интервалах: |S_m|² ₁+|S_m|² ₂.After the arrival of the next signal of the millisecond era (Epoch ₁ ), the correlation process described above is repeated for the next millisecond interval, and at the moment of the arrival of the next signal of the millisecond era (Epoch ₂ ), the sum of the squares of the modules of correlation integrals for m- phase of the code obtained at the first and second millisecond intervals: | S _m | ² ₁ + | S _m | ² ₂ .

Далее описанный выше процесс корреляции повторяется в течение нескольких миллисекунд, а точнее в течение времени Тасс, заданного процессором. По истечении этого времени в m-ю ячейку ОЗУ 365 оказывается записанной сумма квадратов модулей корреляционных интегралов для m-й фазы кода, причем эта сумма распространяется на все миллисекундные эпохи в интервале накопления Тасс:Further, the correlation process described above is repeated for several milliseconds, or rather, for the Tass time specified by the processor. After this time, the sum of the squares of the modules of the correlation integrals for the mth phase of the code appears in the mth cell of RAM 365, and this sum extends to all millisecond eras in the accumulation interval Tass:

где Nacc=10^-3·Тасс - количество миллисекундных интервалов в полном интервале накопления.where Nacc = 10 ^-3 · Tass is the number of millisecond intervals in the full accumulation interval.

По окончании заданного времени накопления Тасс блок выбора максимума 367 последовательно анализирует все ячейки ОЗУ 365, содержащие значения Rm, m=0, ... КМ-1, и запоминает адрес ячейки m_max с максимальным содержимым, а ее содержимое выдается на пороговое устройство 368. Если порог обнаружения, установленный в пороговом устройстве 368, превышен, то значения m_max и Rm_max передаются через блок обмена 323 в центральный процессор 324 в сообщении, которое, как было указано выше, содержит информацию о том, превышен или нет установленный в устройстве быстрого поиска порог обнаружения, а также значение фазы кода, соответствующее максимальной амплитуде накопленного сигнала.At the end of the specified accumulation time Tass, the maximum selection block 367 sequentially analyzes all RAM 365 cells containing the values Rm, m = 0, ... KM-1, and remembers the cell address m _max with the maximum content, and its contents are issued to the threshold device 368 If the detection threshold set in the threshold device 368 is exceeded, then the values of m _max and Rm _max are transmitted through the exchange unit 323 to the central processor 324 in a message, which, as indicated above, contains information about whether or not installed in the device is exceeded quick search the detection threshold, as well as the phase value of the code, corresponding to the maximum amplitude of the accumulated signal.

Выражения (6), (7) показывают, что заявляемое устройство быстрого поиска обеспечивает когерентное накопление сигнала на интервале 1 мс и последующее некогерентное накопление на интервале Тасс. При типичном для условий «открытого неба» отношении сигнал-шум 46 дБГц надежное обнаружение сигнала в устройстве быстрого поиска, работающем в соответствии с (6), (7), обеспечивается при времени накопления Тасс=10 мс, т.к. отношение сигнал/шум при Тасс=10 мс составляет 25 дБ. Полное время поиска сигнала одного спутника в заявляемом устройстве быстрого поиска в полосе частот 60 МГц при шаге поиска 500 Гц составляет:Expressions (6), (7) show that the inventive quick search device provides coherent signal accumulation in the 1 ms interval and subsequent incoherent accumulation in the Tass interval. With a typical signal-to-noise ratio of 46 dBHz typical for open-sky conditions, reliable signal detection in the fast search device operating in accordance with (6), (7) is ensured at an accumulation time of Tass = 10 ms, because the signal-to-noise ratio at Tass = 10 ms is 25 dB. The total search time of a signal of one satellite in the inventive device quick search in the frequency band of 60 MHz with a search step of 500 Hz is:

Аналогично, при более слабом сигнале 40 дБГц необходимое время накопления составит Тасс=20 мс, и полное время поиска сигнала одного спутника Ts₁=0.021·60/0.5=2.52 с.Similarly, with a weaker signal of 40 dBHz, the necessary accumulation time will be Tass = 20 ms, and the total time to search for the signal of one satellite is Ts ₁ = 0.021 · 60 / 0.5 = 2.52 s.

Заявляемый приемник и устройство быстрого поиска состоят из функциональных блоков, устройство которых широко известно в области спутниковой навигации. Например, различные методы реализации радиочастотного преобразователя 314 описаны в [5], [6] и [7], в заявляемом приемнике может быть использована любая из микросхем, описанных в [6]. Устройство следящих каналов также хорошо известно из [5]. В качестве центрального процессора 324 может быть использован, например, ADSP-2188N компании Analog Devices, в качестве задающего генератора 316 - любая из выпускаемых различными компаниями микросхем ТСХО или кварцевых генераторов, в качестве ОЗУ 326, ПЗУ 325 и блока внешнего интерфейса 327 - любые из выпускаемых электронной промышленностью микросхем.The inventive receiver and quick search device consist of functional blocks, the device of which is widely known in the field of satellite navigation. For example, various implementation methods of the RF converter 314 are described in [5], [6] and [7], any of the circuits described in [6] can be used in the inventive receiver. The arrangement of servo channels is also well known from [5]. As a central processor 324, for example, Analog Devices ADSP-2188N can be used, as a master oscillator 316 — any of TLCO chips or crystal oscillators produced by various companies, as RAM 326, ROM 325 and external interface unit 327 — any of microchips manufactured by the electronics industry.

Предлагаемый приемник спутниковой навигации с устройством быстрого поиска навигационных сигналов в условиях высокой динамики объекта обеспечивает решение технической задачи поиска и обнаружения навигационных сигналов за приемлемое время 1-3 с даже при относительно слабых навигационных сигналах. При этом оно может работать при относительно невысоких тактовых частотах порядка 25 МГц, а необходимый для него объем аппаратуры, в основном, связан с реализацией сдвигового регистра сигнала 361 и регистра кода 362. При частоте выборки сигнала Fs=2.5 МГц длина каждого из этих регистров составляет 2500 элементов, причем элементы регистра кода 362 - одноразрядные, а разрядность элементов регистра сигнала 361 составляет 4-5 бит. Таким образом, полное число бит в регистрах 362 и 362 не превышает 15000, что легко реализуемо в современных заказных интегральных схемах и даже в программируемых логических интегральных схемах (ПЛИС). Например, в средней по объему ресурсов ПЛИС Xilinx xc3s1500 каждые 10 элементов сдвиговых регистров вместе с соответствующим мультиплексором 334 или 335 могут быть реализованы в одной логической ячейке. Поэтому общее количество логических ячеек, необходимое для реализации регистров 361 и 362 вместе с мультиплексорами 334, 335 равно 1500, тогда как полное количество число логических ячеек в ПЛИС xc3s1500 равно 30 000. Кроме того, ОЗУ 365 может быть реализовано на двух из 32-х имеющихся в составе ПЛИС xc3s1500 блоков памяти BLOCK RAM. Таким образом, устройство быстрого поиска занимает не более (5-6) % ресурсов средней по объему ПЛИС.The proposed satellite navigation receiver with a device for fast search of navigation signals in conditions of high object dynamics provides a solution to the technical problem of searching and detecting navigation signals in an acceptable time of 1-3 s even with relatively weak navigation signals. Moreover, it can operate at relatively low clock frequencies of the order of 25 MHz, and the amount of equipment needed for it is mainly associated with the implementation of the shift register of signal 361 and code register 362. At a sampling frequency of the signal Fs = 2.5 MHz, the length of each of these registers is 2500 elements, and the elements of the code register 362 are single-bit, and the bit depth of the elements of the signal register 361 is 4-5 bits. Thus, the total number of bits in the registers 362 and 362 does not exceed 15,000, which is easily implemented in modern custom integrated circuits and even in programmable logic integrated circuits (FPGAs). For example, in the average Xilinx xc3s1500 FPGA resources, every 10 elements of the shift registers together with the corresponding multiplexer 334 or 335 can be implemented in one logical cell. Therefore, the total number of logical cells needed to implement registers 361 and 362 together with multiplexers 334, 335 is 1500, while the total number of logical cells in the xc3s1500 FPGA is 30 000. In addition, RAM 365 can be implemented in two of 32 available in FPGA xc3s1500 memory blocks BLOCK RAM. Thus, a quick search device takes up no more than (5-6)% of the resources of the average FPGA in terms of volume.

Источники информацииInformation sources

1. "Глобальная Навигационная Спутниковая Система - ГЛОНАСС. Интерфейсный контрольный документ. КНИЦ ВКС Россия", 1995.1. "Global Navigation Satellite System - GLONASS. Interface control document. KNITS VKS Russia", 1995.

2. Interface Control Document ICD-GPS-200, rev. C, 1993.2. Interface Control Document ICD-GPS-200, rev. C, 1993.

3. Ito et al. GPS Receiver Using Software Correlation for Acquisition and Hardware Correlation for Tracking. US Patent 7002515, 21.02.2006.3. Ito et al. GPS Receiver Using Software Correlation for Acquisition and Hardware Correlation for Tracking. US Patent 7002515, 02.21.2006.

4. Best. GPS Receiver Having Dynamic Correlator Allocation Between a Memory-Enhanced Channel for Acquisition and Standard Channels for Tracking. US Patent 7061972, 13.06.2006.4. Best. GPS Receiver Having Dynamic Correlator Allocation Between a Memory-Enhanced Channel for Acquisition and Standard Channels for Tracking. US Patent 7061972, 06/13/2006.

5. A.J.Dierendonck. GPS Receivers. In: Global Positioning System: Theory and Applications by B.W.Parkinson, J.J.Spilker Jr, eds., vol.1, 1996.5. A.J. Dierendonck. GPS Receivers In: Global Positioning System: Theory and Applications by B.W. Parkinson, J.J. Spilker Jr, eds., Vol. 1, 1996.

6. D.K.Shaeffer, T.H.Lee. The Design and Implementation of Low-Power CMOS Radio Receivers. Kluwer Academic Publishers, Boston/Dordrecht/London, 1999.6. D.K.Shaeffer, T.H. Lee. The Design and Implementation of Low-Power CMOS Radio Receivers. Kluwer Academic Publishers, Boston / Dordrecht / London, 1999.

7. Raymond A. Eastwood "An Integrated GPS/Glonass receiver". - "Navigation" (USA), 1990, 2, - pp.141-151.7. Raymond A. Eastwood "An Integrated GPS / Glonass receiver". - "Navigation" (USA), 1990, 2, pp. 141-151.

Claims

A satellite navigation receiver with a device for fast search of navigation signals in conditions of high object dynamics, containing a series-connected radio frequency converter, the input of which forms the signal input of the receiver, and an N channel digital correlator connected via a data exchange unit to a computer containing a central processor connected to the data exchange bus, a storage device, read-only memory device and an external interface unit, the inputs and outputs of which form information e inputs and outputs of the receiver, wherein the N channel digital correlator comprises a receiver timeline generator, and each channel of the digital correlator contains a GPS / GLONASS input multiplexer, a carrier generator, a carrier mixer, a code generator, a code mixer and an integrator, characterized in that the device is additionally introduced quick search, containing a synchronizer, GPS / GLONASS input multiplexer, carrier generator, carrier mixer, one input of which is connected to the output of the carrier generator, and the second input is connected to the output of mult GPS / GLONASS plexor, shift register of the complex signal, the input of which is connected to the output of the carrier mixer, code register, the first group of M multiplexers, each of which has K inputs, and the j-th input of the i-th multiplexer is connected to (j + (i-1 ) · K) -th discharge of the shift register of the complex signal, and the control inputs of all multiplexers are connected to the synchronizer output, the second group of M multiplexers, each of which has K inputs, and the j-th input of the i-th multiplexer is connected to (j + (i- 1) · K) -th bit of the code register, and the control inputs are all multiplexers are connected to the output of the synchronizer, M code mixers, and one input of the i-th code mixer is connected to the output of the i-th multiplexer from the first group of multiplexers, and the second input of the i-th code mixer is connected to the output of the i-th multiplexer from the second group of multiplexers, the first M-input adder, the inputs of which are connected to the outputs of the code mixers, an integrator, the input of which is connected to the output of the first M-input adder, the square block unit of the complex signal module, the input of which is connected to the integrat output RA, a second adder, a storage device (RAM), a RAM address generation unit, one input of a second adder connected to an output of a square forming unit of a complex signal module, and a second input connected to an RAM output, an RAM input connected to an output of a second adder, and an input RAM addresses are connected to the output of the RAM address generation unit, a maximum selection unit, one input of which is connected to the RAM output, and a second input is connected to the output of the RAM address generation unit, and a threshold device, the input of which is connected to the output of the unit selecting a maximum, and the output is connected to the input of the data exchange unit.