Программные модули ГЛОНАСС/GPS/Galileo: достоинства и перспективы
Рассматриваются основные особенности построения программной обработки спутниковых навигационных сигналов. Оцениваются преимущества и перспективы использования программных модулей ГНСС.
Программная обработка спутниковых навигационных сигналов (вместо использования традиционных аппаратных навигационных модулей) в последнее время вызывает всё больший интерес у разработчиков в отраслях связи и навигации. Благодаря сверхвысокой степени интеграции, современные мощные процессоры и DSP позволяют детектировать и декодировать сигналы глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) в режиме реального времени, используя программное обеспечение. Программные навигационные приёмники обладают значительной гибкостью в модификации различных параметров для обеспечения новых функций без переразработки "железа", используя тот же дизайн печатной платы для новых задач и имея возможность существенных модернизаций.
Для того чтобы ГЛОНАСС/GPS приёмник достоверно определил своё местоположение, требуется наличие в зоне видимости по крайней мере 4-х спутников. Обнаружение и сопровождение спутниковых сигналов - достаточно сложная задача, т.к. при изменении местоположения приёмника меняются все сигналы.
На рис.1 представлена упрощённая модель входного РЧ каскада для программного навигационного приёмника. Слабый входной сигнал с антенны сначала усиливается с помощью малошумящего усилителя (МШУ), затем происходит понижение частоты до приемлемой центральной частоты (примерно 4 МГц). Это понижающее преобразование производится перемножением входного РЧ сигнала с сигналом гетеродина, используя один смеситель (либо в несколько этапов - с помощью нескольких смесителей). Полученный аналоговый сигнал промежуточной частоты преобразуется в цифровой сигнал с помощью АЦП.
Рис.1. Упрощённая функциональная модель приёмного ВЧ модуля
На сегодняшний день существует множество интегральных микросхем ГНСС-приёмников (GPS, ГЛОНАСС, и даже Galileo), в которых уже встроен рассмотренный блок ВЧ модуля, что значительно сокращает время разработки. В АЦП таких приёмников обычно используется 2-х или 3-битное квантование, и на выход поступают цифровые сигналы "в квадратуре" (сдвинутые по фазе друг относительно друга на 90%) - I и Q. Встроенный синтезатор частоты (гетеродин) в подобных устройствах обычно позволяет выбирать частоту внешнего опорного генератора в некотором диапазоне. В навигационных системах опорный генератор должен быть высокостабильным, поэтому для этих целей выбирают кварцевый генератор с термостабилизацией (TXCO) с хорошей стабильностью - 0,5…2 ppm.
Традиционные навигационные приёмные модули осуществляют захват, сопровождение и побитовую синхронизацию с помощью заказных СБИС, в то время как программные модули навигационных приёмников обеспечивают значительную гибкость за счёт программной реализации этих блоков. Из-за упразднения аппаратного блока коррелятора, использование программной архитектуры делает приёмный модуль меньше в размерах, позволяет уменьшить потребление, и, что немаловажно, уменьшает стоимость конечного изделия. Можно написать программу обработки в MATLAB, на С, С++, других языках и встроить в любую операционную систему (для возможности мультизадачности при этом стоит выбирать ОС реального времени, такие как Linux, Symbian, QNX и др.). Таким образом, программные навигационные модули имеют большую перспективу для использования в мобильных телефонах, коммуникаторах, фотоаппаратах и других устройствах потребительской электроники.
Кодовая и частотная синхронизация обычно достигается в два этапа: режим поиска (в англ. acquisition), при котором выполняется грубое выравнивание, и режим сопровождения (в англ. tracking), в котором производится точное выравнивание.
Приёмник должен сначала определить, имеет ли он в зоне прямой видимости достоверные спутники или нет. Как известно, в GPS каждый спутник имеет уникальный код, а в ГЛОНАСС спутники различаются собственной уникальной частотой сигнала. Когда спутники "видимы", в режиме поиска определяется частота сигнала и фаза кода, которые, в свою очередь, определяют соответствующие параметры демодуляции. Частота принимаемого сигнала варьируется из-за эффекта Доплера, отклоняясь от номинального значения на 5..10 кГц (в зависимости от скорости спутника по отношению к приёмнику).
Рассмотрим процедуру поиска сигнала. В режиме поиска сигнала производится грубая (но достаточная для захвата системой слежения) оценка параметров сигнала - задержки и частоты. В реализации поиска существует два подхода: последовательный поиск (хорош для аппаратной реализации в силу простой логической архитектуры) и параллельный поиск (подходит для программной реализации за счёт меньшего количества вычислений). Параллельный метод поиска сигнала основан на использовании Фурье-преобразований. Основная идея состоит в совмещении поиска доплеровского отклонения и поиска фазы, что после быстрого преобразования Фурье (БПФ) псевдослучайного кода отражает всю информацию о фазе кода в частотном диапазоне.
Рис.2. Упрощённая функциональная модель параллельного метода поиска с использованием БПФ и совмещением с инерциальной системой
Сначала происходит перемножение компонент I и Q входного сигнала с сигналами генератора (см. рис.2): синусом и косинусом соответственно. Затем компоненты I и Q совмещаются в комплексный входной сигнал блока БПФ. Результат этого Фурье-преобразования перемножается с сопряжённым БПФ псевдослучайного кода (генератор ПСП генерирует код с "нулевой" фазой). На практике, для уменьшения объема вычислений, целесообразно протабулировать операцию БПФ и операцию генерации ПСП.
Затем над получившимся сигналом производится обратное БПФ, возводится в квадрат и поступает в "блок вычислений и управления", выполняя функцию обратной связи.
Длина ПСП для GPS составляет 1023 элемента кода, а ГЛОНАСС - 511 элементов, и при последовательном поиске для нахождения начальной фазы кода одного канала необходимо произвести 1023 и 511 циклов сдвига ПСП для GPS и ГЛОНАСС соответственно. В рассматриваемом параллельном поиске данная операция выполняется за один цикл.
На этапе сопровождения производится уточнение значений параметров сигнала и слежение за ними. Затем определяются псевдодальности и псевдоскорости, производится демодуляция сигнала, синхронизация каждого канала, после чего - расчёт координат и скоростей потребителя. Эти операции обычно выполняются программно.
Использование программных приёмных модулей позволяет гибко совмещать спутниковую навигацию с инерциальными системами и обладает преимуществами перед аппаратной обработкой при обнаружении сигнала в условиях низкого значения "сигнал/шум" или при наличии помех. Это позволяет захватывать и следить за сигналами GPS/ГЛОНАСС в условиях, которые могут стать сложной задачей для традиционных приёмников. Данный подход позволяет обеспечивать улучшенный приём сигналов ГНСС в условиях городской застройки и производить детальный анализ характеристик сигналов, таких как эффекты многолучёвости.
Быстрые темпы роста производительности процессоров сделали непосредственное хранение и постобработку спутниковых навигационных сигналов доступными для многих приложений. В настоящее время, несмотря на экономический кризис и спад общего объёма рынка мобильных телефонов, наблюдается рост потребительского спроса на смартфоны с функцией GPS. Программный подход значительно упрощает добавление в телефон возможности работать и по другим спутниковым системам (т.к. избавляет от необходимости производства отдельных микросхем цифровой обработки сигналов данных систем). До недавнего времени производительности центрального процессора в подобных устройствах не хватало для реализации программного модуля ГНСС. Однако сейчас многие мультимедийные процессоры способны поддерживать обработку сигналов ГНСС, что снижает себестоимость введения этой функции в широкий спектр электронных устройств. Поэтому вполне вероятно, что через несколько лет на рынке появятся телефоны и медиаплееры с программными навигационными модулями ГЛОНАСС/GPS/Galileo. Это, в свою очередь, приблизит появление потребительских устройств с программно-конфигурируемым радио (SDR), объединяющим функции GSM, ГНСС, Bluetooth, Wi-Fi и wireless USB.
Литература:
1. Самков И.Ю., Спутниковая навигация для потребительской электроники // Современная электроника, №8, 2008
2. Brown A., Benefits of Software GPS Receivers for Enhanced Signal Processing // GPS SOLUTIONS 4(1), 2000
3. Application note: RF Front-End IC Simplifies Software GPS Receiver // Maxim/Dallas Semiconductor, 2007
4. Смартфоны с функцией GPS-навигации обойдут стороной экономический спад // www.russianelectronics.ru, 2009
5. Ван Граас Ф., Соловьёв А., Гунавардена С., Заявка на патент США № US 2006/0071851 А1 // 2006
6. Поваляев Е., Хуторной С., Системы спутниковой навигации ГЛОНАСС и GPS. Часть 4. Структура коррелятора навигационного приёмника аппаратуры потребителя // ChipNews, №3, 2002
©2009 Иван Самков
Статья опубликована в журнале «Встраиваемые системы», №3, 2009
При использовании материалов с сайта, пожалуйста, указывайте ссылку на первоисточник: www.dlrm.ru.
|
|
