Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка архитектуры СБИС класса Система на кристалле для создания угломерного навигационного приемника

Номер контракта: 14.578.21.0116

Руководитель: Фатеев Юрий Леонидович

Должность руководителя: профессор

Докладчик: Непомнящий Олег Владимирович, профессор

Организация: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский федеральный университет"
Организация докладчика: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирский федеральный университет"

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
пространственная ориентация, угломерная навигационная аппаратура, навигационный приемник, сбис, система на кристалле, сложно-функциональные блоки, навигационные измерения, глобальные навигационные спутниковые системы, разработка сбис, цифровая обработка сигналов

Цель проекта:
Основной проблемой, на решение которой направлен данный проект, является расширение и модернизация существующих подходов к созданию наукоемкой угломерной аппаратуры навигации. Основным составляющим элементом такой аппаратуры является угломерный навигационный приемник, в настоящее время производимый с применением импортной элементной базы. Для создания современной научно-производственной инфраструктуры проектирования, разработки и производства навигационной аппаратуры с использованием отечественной электронной компонентной базы нового технического и технологического уровня требуется разработка новых и адаптация существующих методов угломерных навигационных определений для обеспечения высоких потребительских характеристик. Реализация таких методов должна быть осуществлена с использованием последних достижений отечественной микроэлектронной промышленности, что повлечет за собой создание новых вариантов маршрутов проектирования угломерных навигационных приемников, обеспечивающих создание различных, не зависимых от аппаратных особенностей реализации, вариантов архитектуры навигационных приемников с использованием СБИС класса «Система на кристалле». Главной целью проекта является разработка архитектуры СБИС класса «Система на кристалле», реализующей новые методы угломерных навигационных измерений в навигационной аппаратуре потребителей (НАП) глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС). Кроме того, выполнение работ по проекту позволит получить новые значимые научные результаты, способствующие решению задачи импортозамещения в области разработки и производства новой отечественной элементной базы. Достижение заявленных целей позволит существенно повысить конкурентоспособность нового поколения НАП, обеспечивающей определение углов пространственной ориентации.

Основные планируемые результаты проекта:
В ходе выполнения работ по проекту будут получены следующие основные результаты:
1. Промежуточный и заключительный отчеты о прикладных исследованиях, отчет о патентных исследованиях согласно ГОСТ 15.011-96.
2. Методы угломерных навигационных определений пригодные для реализации на базе отечественных СБИС класса «Система на кристалле».
3. Компьютерная модель, программа и методики исследования, а также результаты экспериментальных исследований компьютерной модели ГНСС-приемника для реализации разработанных методов угломерных навигационных определений.
4. Комплект сложно-функциональных (СФ) блоков СБИС ГНСС-приемника и программная документация согласно ГОСТ 19.401-78, ГОСТ 19.402-78, ГОСТ 19.502-78.
5. Макет блока цифровой обработки сигналов (БЦОС) ГНСС-приемника и соответствующая эскизная конструкторская и эксплуатационная документация согласно ГОСТ 2.125-2008.
6. Лабораторный стенд для исследования ГНСС-приемника и соответствующая рабочая конструкторская и эксплуатационная документация, а также программы и методики испытаний стенда согласно ГОСТ 2.106-96, ГОСТ 2.702-75.
7. Экспериментальный образец ГНСС-приемника и соответствующая эскизная конструкторская документация согласно ГОСТ 2.125-2008.
8. Лабораторный отладочный комплекс, рабочая конструкторская и эксплуатационная документация, а также программы, методики и результаты испытаний ЭО БЦОС ГНСС-приемника согласно ГОСТ 2.106-96, ГОСТ 2.702-75.
9. Эскизная конструкторская и эксплуатационная документация ЭО БЦОС ГНСС-приемника согласно ГОСТ 2.125-2008.
10. Проект технического задания на проведение ОКР по теме: «Разработка угломерного навигационного приемника на основе СБИС».
Перечисленные основные результаты работ будут получены, опираясь на анализ современной научно-технической, нормативной, методической литературы (в том числе статьи в ведущих зарубежных и российских научных журналах, монографии и патенты).
Разрабатываемые методы угломерных навигационных определений для их реализации в СБИС класса «Система на кристалле» российского производства будут обеспечивать реализацию:
- метода измерения фазовых сдвигов принимаемых радионавигационных сигналов;
- метода определения углов пространственной ориентации на основе измеренных фазовых сдвигов;
- метода разрешения фазовых неоднозначностей в принимаемых радионавигационных сигналах.
На основе методов угломерных навигационных определений будет разработана структура измерительного тракта угломерного ГНСС-приемника, выполненного на основе СБИС, его компьютерная модель. Апробация на данной модели разработанных методов угломерных навигационных определений позволит разработать комплект СФ-блоков для реализации СБИС ГНСС-приемников класса «Система на кристалле», макет БЦОС ГНСС-приемника, в том числе эскизную конструкторскую и эксплуатационную документацию макета БЦОС ГНСС-приемника.
Для исследования работоспособности и отладки макета БЦОС ГНСС-приемника будет разработан и изготовлен стенд, который позволит провести экспериментальные исследования макета БЦОС ГНСС-приемника и перейти к разработке и изготовлению экспериментального образца БЦОС ГНСС-приемника, исследование которого будет проводится с использованием разработанного и изготовленного лабораторного отладочного комплекса (ЛОК),
На завершающем этапе выполнения работ по итоговым результатам исследований будет проведена оценка полноты решения задач и достижения поставленных целей, эффективности полученных результатов. Будут разработаны технические требования и предложения по разработке, производству и эксплуатации угломерного навигационного приемника на основе СБИС российского производства с учетом технологических возможностей и особенностей Индустриального партнера проекта – АО «НПП «Радиосвязь». Для перехода к подготовке производства угломерного навигационного приемника будет подготовлен проект технического задания на проведение ОКР по теме: «Разработка угломерного навигационного приемника на основе СБИС».
Методы угломерных навигационных определений для их реализации в СБИС класса «Система на кристалле» российского производства будут обеспечивать:
- измерение фазовых сдвигов принимаемых радионавигационных сигналов с погрешностью не более 5° при отношении сигнал / шум не более 20 дБ;
- определение трех углов пространственной ориентации (курса, крена и тангажа) при использовании антенной системы с базовыми расстояниями между антенными модулями 0,7 м: с систематической погрешностью не более 10' и среднеквадратическим отклонением не более 20';
- одномоментное разрешение фазовых неоднозначностей.
Назначение макета блока цифровой обработки сигналов ГНСС-приемника:
- исследование разработанных методов угломерных навигационных определений для их реализации в СБИС класса «Система на кристалле»;
- проверка и отладка разработанных основных СФ блоков.
Макет будет реализован на основе программируемых логических интегральных схем с использованием разработанных сложно-функциональных блоков для дальнейшей реализации СБИС ГНСС-приемников класса «Система на кристалле».
Требования к макету блока цифровой обработки сигналов ГНСС-приемника:
- определение координат c предельной погрешностью (по уровню вероятности 0,95) не более +/-20 м в плане и не более +/-30 м по высоте;
- определение скорости с предельной погрешностью (по уровню вероятности 0,95) не более +/-0,1 м/с;
- определение пространственной ориентации антенной системы с базовыми расстояниями между антеннами 0,7 м, с предельной погрешностью (по уровню вероятности 0,95): курса – +/-40', углов тангажа и крена – +/-70'.
Характеристики экспериментального образца БЦОС ГНСС-приемника.
Экспериментальный образец блока цифровой обработки сигналов должен обеспечивать исследование и отладку угломерного ГНСС-приемника, реализованного на основе СБИС класса «Система на кристалле». При этом разработка и изготовление экспериментального образца будет вестись, опираясь на результаты разработки макета блока цифровой обработки сигналов, поэтому технические характеристики экспериментального образца должны быть не хуже технических характеристик отлаженного макета ГНСС-приемника.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
В качестве планируемой конечной продукции следует рассматривать экспериментальный образец блока цифровой обработки сигналов ГНСС-приемника, выполненный на основе СБИС. Разработка экспериментального образца позволит проверить работоспособность предложенных научно-технических решений, методов угломерных навигационных определений и основных сложно-функциональные блоков при их реализации на отечественных СБИС.
Для проведения исследования и испытаний макета и экспериментального образца будут разработаны и изготовлены стенд для исследований и лабораторный отладочный комплекс, которые также возможно отнести к конечной продукции, поскольку их разработка и изготовление будет вестись с учетом дальнейшего использования в рамках развития производства ГНСС-приемников и перспективной навигационной аппаратуры.
Работы по проекту относятся к одному из приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в Российской Федерации, утвержденных Президентом Российской Федерации 21 мая 2006 г. № Пр-843 – Транспортные и космические системы. Развитие средств и систем связи и навигации, в том числе навигационной аппаратуры потребителей, без сомнения, является важной задачей, что подтверждается как наличием Федеральных целевых программ (Федеральная целевая программа «Поддержание, развитие и использование системы ГЛОНАСС на 2012–2020 годы»), так и упоминанием навигационной аппаратуры в качестве ключевой продукции в Государственных программах развития промышленного производства (Государственная программа «Развитие электронной и радиоэлектронной промышленности на 2013–2025 годы», Минпромторг России). При этом стоит отметить, что существуют решения в области создания НАП на основе СБИС (например, решения КБ НАВИС, ГК НТЛаб). Но при этом подобная аппаратура не обладает теми характеристиками, на достижение которых направлены работы по данному проекту – в первую очередь, отсутствует возможность измерения углов пространственной ориентации объектов с высокой точностью, тогда как со стороны потребителей существует запрос именно на такую аппаратуру.
Важность и значимость предлагаемых к реализации в ходе выполнения проекта научно-технических решений заключается в качественном расширении, развитии текущего производства угломерной навигационной аппаратуры потребителей, переводе действующего производства на новый технологический уровень с использованием отечественных СБИС, наполнении перспективной угломерной аппаратуры новыми потребительскими характеристиками при одновременном снижении ее стоимости. Мировой опыт развития различных высокотехнологичных производств свидетельствует о том, что заявляемый комплекс задач актуален и значим для развития информационно-телекоммуникационной сферы и при этом может быть решен при финансовой поддержке научных исследований со стороны государства.
Основными тенденциями развития НАП является расширение ее функциональных возможностей путем реализации более сложных многоканальных схем обработки навигационных сигналов. Особенностью предлагаемого проекта является реализация алгоритмов определения угловой ориентации, алгоритмов быстрого поиска сигналов космических аппаратов, алгоритмов борьбы с помехами при одновременном уменьшении габаритов, массы и потребляемой мощности аппаратуры за счет реализации блока цифровой обработки сигналов в виде СБИС класса «Система на кристалле».
Из зарубежных исследовательских групп, занимающихся разработкой НАП, заметное место занимает кафедра аэронавтики и астронавтики Стенфордского университета (Department of Aeronautics and Astronautics, Stanford University) и других университетов США, о чем свидетельствует большое число научных статей и диссертаций по вопросам применения техники GPS в различных областях. Одной из ведущих исследовательских групп, работающих над усовершенствованием принципов построения НАП GPS, является кафедра математической геодезии и местоопределения (Department of Mathematical Geodesy and Positioning) Дельфтского технологического университета (Delft University of Technology), Нидерланды. Данная группа проводит значительный объем исследований, связанных с различными приложениями GPS, сотрудничает с известными производителями навигационного оборудования в области разработки алгоритмов и аппаратуры ГНСС.
Из наиболее близких аналогов проекта следует отметить упомянутые ранее навигационные приемники, производимые ЗАО «КБ НАВИС», группой компаний НТЛаб. Высокие характеристики изделий, выпускаемых данными производителями, были достигнуты, в том числе, в ходе технологического перехода на новую элементную базу, с применением СБИС. Но при этом заявляемые характеристики таких изделий существенно уступают характеристикам угломерного навигационного приемника, заложенным в настоящий проект. В первую очередь, в разрабатываемом навигационным приемнике одной из основных функций является измерение углов пространственной ориентации с высокой точностью (единицы угловых минут). Стоит также учитывать, что формирующиеся тенденции отечественной промышленной политики, направленные на решение задачи импортозамещения электронной компонентной базы, поддержки отечественных высокотехнологичных производств, требуют диверсификации проведения научно-исследовательских работ в данном направлении высококвалифицированными коллективами в кооперации с наукоемкими производствами. Поэтому следует использовать уже существующие уникальные решения как основу для их дальнейшего развития и модернизации с целью расширения рынков сбыта, в том числе и зарубежных. Такой подход снижает как технологические, так и организационные риски проекта, способствует развитию отечественной электронной промышленности, территориальному расширению производителей по каждому направлению микроэлектроники, развитию науки и образования в приоритетных направлениях, определенных Указом Президента РФ и Постановлением Правительства РФ.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Планируемые результаты выполнения работ будет возможно применять при разработке и производстве отечественной высокоточной угломерной навигационной аппаратуры потребителей. Высокая точность определения пространственной ориентации подвижных объектов позволяет использовать угломерную НАП в составе промерных комплексов для проведения гидрографических, дноуглубительных, строительных, буровых и других видов работ, использовать ее для определения параметров качки, мониторинга остойчивости морских и речных судов с целью повышения безопасности. Угломерную НАП возможно с высоким эффектом использовать при маневрировании судов в портах, а также для захода на посадку и автоматической посадки воздушных судов (в том числе и беспилотных летательных аппаратов) на малооборудованные аэродромы в условиях Крайнего Севера, где затруднительно использовать иные средства навигации.
Сфера применения угломерной НАП велика, но для расширения области ее применения, увеличения рынков сбыта, выхода на мировой рынок навигационной аппаратуры, необходимо снизить энергопотребление и габаритные размеры навигационных приемников, а также сократить издержки на производство угломерной НАП при одновременном увеличении серийного изготовления. Исходя из отечественного и мирового опыта, и учитывая современные ограничительные меры по поставке зарубежной электронной компонентной базы, достичь такие цели возможно посредством разработки новых методов угломерных навигационных определений, основанных на использовании ГНСС-приемников, с реализацией их в архитектуре СБИС, что относится к основным задачам, планируемых к решению в ходе выполнения работ по проекту.
При оценке практического внедрения планируемых результатов проекта стоит отметить уже сложившуюся кооперацию между научным коллективом Сибирского федерального университета (СФУ) и Индустриальным партнером – АО «Научно-производственное предприятие «Радиосвязь». Такая кооперация на практике показала свою высокую эффективность в рамках решения сложных научно-технических задач по разработке аппаратуры связи и навигации. Углубление такой кооперации, расширение сотрудничества и одновременная государственная поддержка проводимых научно-исследовательских работ позволит укрепить сложившиеся связи, будет способствовать развитию как научно-образовательной сферы, так и высокотехнологичного производства. Такое комплексное взаимодействие позволит совершить качественный рывок в области освоения новых технологий, подготовки высококвалифицированных кадров, накопить опыт решения сложных научно-технических и производственных задач, что, в конечном итоге, будет способствовать как решению актуальной задачи импортозамещения, так и развитию научного и промышленного потенциала Российской Федерации в целом.
После окончания бюджетного субсидирования планируется совместное с Индустриальным партнером использование результатов интеллектуальной деятельности и материально-технической базы для обеспечения как научно-технических работ, так и образовательной деятельности, направленной на подготовку квалифицированных специалистов для предприятий реального сектора экономики. С учетом новых технологических разработок будет расширена область применения новых научно-технических решений по проектированию и производству навигационных приемников в рамках новых совместно проводимых ОКР по системам радиосвязи и навигации. Предполагается увеличение доли прикладных НИОКТР, направленных на совершенствование разработанных технологий с учетом как собственных научных наработок, так и тенденций развития данной области в ведущих в техническом отношении странах мира.
В области подготовки специалистов с высшим образованием и послевузовского образования (аспирантура) планируется увеличение доли практических занятий и учебной работы другого рода на базе Индустриального партнера с заключением сетевого договора на обучение с использованием его производственных мощностей в учебном процессе. Планируется увеличить долю работ, выполняемых аспирантами и молодыми учеными по тематике, представляющей интерес для промышленного выпуска современной наукоемкой продукции. Такие задачи будут решаться посредством интенсификации работы базовых кафедр Сибирского федерального университета, созданных с участием Индустриального партнера и с привлечением его ведущих специалистов к преподавательской деятельности в рамках договоров по организации процесса обучения по сетевому принципу.
Таким образом, можно говорить о высокой степени актуальности предлагаемого проекта, в ходе которого будут решены научно-технические задачи по разработке архитектуры СБИС класса «Система на кристалле» для создания угломерного навигационного приемника, имеющие существенное значение для развития экономики страны. Поскольку результаты, планируемые к достижению в ходе реализации проекта, обладают научной новизной, возможность получения результатов, способных к правовой охране, также не вызывает сомнений.

Текущие результаты проекта:
В ходе выполнения работ первого этапа плана-графика исполнения обязательств по проекту получены следующие результаты:
- выполнен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках проекта;
- проведена сравнительная оценка эффективности существующих принципов, методов и средств в области угломерных навигационных определений при помощи ГНСС-приемников;
- проведен анализ архитектурных решений для построения навигационных приемников на основе архитектуры СБИС;
- разработаны варианты возможных решений задачи, проанализированы выбор и обоснование ее оптимального варианта решения;
- проведены патентные исследования по ГОСТ 15.011-96;
- разработаны рабочая конструкторская и эксплуатационная документация стенда для исследования макета БЦОС ГНСС-приемника;
- приобретены комплектующие для изготовления стенда для исследования макета БЦОС ГНСС-приемника и лабораторного отладочного комплекса для исследования и отладки экспериментального образца БЦОС ГНСС-приемника.