Регистрация / Вход
Прислать материал

14.578.21.0116

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.578.21.0116
Тематическое направление
Транспортные и космические системы
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский федеральный университет"
Название доклада
Разработка архитектуры СБИС класса Система на кристалле для создания угломерного навигационного приемника
Докладчик
Фатеев Юрий Леонидович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Цели исследования:
- разработка архитектуры сверхбольшой интегральной схемы (СБИС) класса «Система на кристалле» (СнК) используемой для изготовления угломерной навигационной аппаратуры потребителей (НАП);
- импортозамещение в области разработки и производства новой отечественной элементной базы;
- повышение конкурентоспособности нового поколения НАП, обеспечивающей определение углов пространственной ориентации.
Задачи исследования:
- разработка методов угломерных навигационных определений для их реализации в сверхбольших интегральных схемах класса «Система на кристалле» российского производства;
- разработка структуры измерительного тракта угломерного приемника приемника глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС), выполненного на основе СБИС класса «Система на кристалле»;
- разработка комплекта сложно-функциональных (СФ) блоков для реализации СБИС класса «Система на кристалле» для создания угломерного навигационного приемника;
- изготовление экспериментального образца (ЭО) блока цифровой обработки сигналов (БЦОС) ГНСС-приемника, выполненного на основе разработанной СБИС класса «Система на кристалле» российского производства;
Актуальность и новизна исследования
Сфера применения средств спутниковой навигации диктует свои требования к НАП. Современная НАП должна обладать улучшенными точностными характеристиками, высокой помехоустойчивостью, малым энергопотреблением и небольшими габаритами. Особое значение среди требований к НАП придается возможности измерения углов пространственной ориентации
Эти требования могут быть удовлетворены при разработке НАП на основе СБИС класса «СнК».
Однако состояние отечественной элементной базы электронных компонентов не позволяет реализовать современную НАП на СБИС российского производства. Это связано с существующими серьезными проблемами:
- отсутствие возможности получения «pin-to-pin» замены иностранной элементной базы в на отечественную в обозримом будущем;
- необходимость проведения полного перепроектирования функциональных схем модулей на отечественной элементной базе;
- острый дефицит отечественной функционально-сложной элементной базы достаточной для осуществления импортозамещения.
Кроме того, большинство предлагаемых изделий ориентированы на построение обычных навигационных приемников, предполагающих только определение местоположения объекта, без функции измерения углов пространственной ориентации.
При реализации ГНСС-приемников на основе отечественных СБИС класса «СнК» с возможностью по измерению углов пространственной ориентации появится новая отечественная научно-техническая продукция, обладающая высокими технико-экономическими характеристиками, не достижимыми большинством как отечественных, так и зарубежных производителей.
Новизна исследования заключается в разработке методов навигационных определений и их реализации в отечественных СБИС класса «СнК» угломерных НАП.
Описание исследования

В ходе выполнения ПНИЭР были разработаны методы угломерных навигационных определений для их реализации в сверхбольших интегральных схемах класса «Система на кристалле» российского производства.

Разработанные методы угломерных навигационных определений базируются на следующих принципах измерения углов пространственной ориентации:

- измерение фазы несущей навигационного сигнал;

- измерение разности фаз между сигналами различных антенн;

- измерение по результатам совместной обработки сигналов частотных диапазонов L1 и L2;

Структурная схема радиотракта для реализации разработанных методов представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Структура радиотракта угломерного ГНСС-приемника

Радиотракт построен таким образом, что сигналы с 3-х элементной антенной решетки, подвергаясь кодовому разделению, обрабатываются в едином приемном канале, что уменьшает аппаратурные затраты и позволяет исключить систематические погрешности измерения углового положения, вызванные неидентичностью аналоговых трактов обработки сигнала. При таком решении систематическая погрешность   обусловлена только антенно-фидерным устройством. Кодовое разделение сигналов антенн основано на использовании фазовой манипуляций сигналов антенн взаимно-ортогональными последовательностями, формируемыми из сигналов тактовой частоты синтезатора частот.

Так же в радиотракте выполняются стандартные функции разделения сигналов по частотным каналам с преобразованием их на промежуточную частоту и перевод их в цифровой вид.

Разработанная структура измерительного тракта угломерного ГНСС-приемника, выполненного на основе СБИС представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 – Структурная схема универсального измерительного тракта

АЦП – аналогово-цифровой преобразователь; МХ – мультиплексер; ГПСП – генератор псевдослучайной последовательности; ГЛЧ – генератор литерных частот; ГОС – генератор опорного сигналв; ФК – фильтр Калмана; ГТИ – генератор тактовых импульсов; ОК – канал опережающего сигнала; ЗК – канал задержанного сигнала.

 

В БЦОС производится разделение сигнала на m параллельных каналов обработки (измерительных трактов).

Функционально каждый измерительный тракт состоит из аппаратной и программной частей, структура которых «сворачивается» в виде оформленных СФ-блоков в СБИС класса «СнК»

Обработка сигналов в измерительном тракте состоит в выполнении свертки псевдослучайной последовательности (ПСП) выбранного НКА и переносе спектра сигнала этого НКА на нулевую частоту.

На выходе коррелятора (аппаратной части измерительного тракта) формируется сигнал рассогласования между фазой колебаний, принимаемых в настоящий момент ведущей антенной, и фазой колебаний, создаваемых синтезатором. Полученный сигнал рассогласования используются как управляющий, для подстройки синтезатора, который таким образом запоминает фазу сигнала, принимаемого ведущей антенной во время ее подключения ко входу приемника. Последние операции выполняются программной частью измерительного тракта и вичислителем.

При подключении других антенн к измерительному тракту система работает как измеритель разностей фаз, сравнивая фазы принимаемого и опорного сигналов с выхода синтезатора. Отказ от непосредственного измерения разности фаз сигналов ведущей и ведомых антенн приводит к снижению точности фазовых измерений как за счет нестабильности частоты синтезатора, так и за счет ошибок слежения. Однако такое решение позволяет упростить схему и устранить ошибки, связанные с различием фазовых характеристик трактов усиления высокой частоты.

Кроме слежения за фазой несущей частоты сигнала измерительный тракт может выполнять слежение за задержкой кода, позволяющий привязывать фазу к меткам времени, передаваемым с помощью дальномерного кода, и проводить определение координат потребителя по измерениям псевдодальности в стандартном режиме.

Для реализации методов угломерных навигационных определений в БЦОС ГНСС – приемника на безе интегральной схемы класса «Система на кристалле был разработан комплект сложно-функциональных прошедший апробацию на макете БЦОС.

Разработанный комплект СФ-блоков выполняет основные задачи БЦОС, в том числе: фильтрацию сигналов ГЛОНАСС/GPS, дискретное преобразование Фурье над комплексным сигналом, понижение частоты с суммированием комплексного сигнала, генерирование псевдослучайной последовательности ГЛОНАСС СТ, GPS C/A стандартной точности, обеспечение конфигурирования приёмника ГЛОНАСС/GPS при помощи вычислительного узла, а также передачу накопленных блоком ЦОС отсчетов к вычислительному узлу.

Результаты исследования

В ходе выполнения ПНИЭР были разработаны:

1) методы угломерных навигационных определений для их реализации в сверхбольших интегральных схемах класса «Система на кристалле» российского производства;

2) структура измерительного тракта угломерного ГНСС-приемника, выполненного на основе СБИС класса «Система на кристалле»;

3) комплект сложно-функциональных блоков для реализации СБИС класса «Система на кристалле» для создания угломерного навигационного приемника:

- сложно-функциональный блок фильтрации сигналов ГЛОНАСС/GPS;

- сложно-функциональный блок дискретного последовательного преобразования Фурье;

- сложно-функциональный блок понижающего сумматора-ограничителя;

- сложно-функциональный блок генераторов псевдослучайной последовательности;

- сложно-функциональный блок интерфейсов вычислительного узла.

Для проведения проверки работоспособности комплекта сложно-функциональных блоков, реализующих разработанные методы угломерных навигационных определений, был изготовлен макет БЦОС на базе программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС). 

Проверка работоспособности комплекта сложно-функциональных блоков и экспериментальные исследования характеристик ГНСС-приемника на базе макета БЦОС проводились по имитированным и реальным навигационным сигналам.

Результаты проверки подтвердили работоспособность комплекта сложно-функциональных блоков, без ухудшения характеристик ГНСС-приемника в целом, что показали результаты экспериментальных исследований. Среднеквадратическое отклонение измеренной кодовой псевдодальностей составило – 12 см (рисунок 3).

Рисунок 3 – Результаты измерения псевдодальности по результатам экспериментальных исследований

 

Дальнейшее продолжение исследований предполагает адаптацию разработанных сложно-функциональных блоков для их использования в БЦОС, реализованном на базе базового матричного кристалла (БМК) и изготовление экспериментального образца БЦОС навигационного приемника, выполненного на основе БМК российского производства.

Практическая значимость исследования
Результаты ПНИЭР могут быть использованы при разработке и производстве отечественной микроэлектроники, навигационной аппаратуры, других видов электронных приборов потребительского и профессионального класса, где необходимы данные о местоположении и угловой ориентации, получаемые от встроенного навигационного приемника. В качестве конкурентных преимуществ результатов ПНИЭР следует отметить резкое снижение массогабаритных показателей угломерных навигационных приемников, разработанных на базе СБИС класса «Система на кристалле», их энергопотребления при одновременном сохранении или существенном улучшении основных потребительских характеристик, прежде всего точности определения координат и пространственной ориентации.
Разработанная архитектура СБИС для создания угломерного навигационного приемника окажет положительное влияние на развитие научно-технологических направлений в стратегических областях отечественной экономики: авиакосмического приборостроения, микроэлектроники, геодезии, энергетики и вычислительной математики. Новые технические и технологические решения позволят повысить качество навигационного обеспечения и выйти на принципиально новый уровень производстве навигационной аппаратуры геодезического класса.
На основе результатов ПНИЭР появляется возможность создания отечественной специализированной СБИС класса «Система на кристалле» угломерного навигационного приемника. Это позволит резко снизить стоимость производства угломерных НАП при одновременном улучшении их потребительских свойств. Кроме того, результаты исследования позволят уменьшить зависимость в области микроэлектронных компонент от зарубежных производителей.
Кроме того, в области науки и образования результаты исследований позволят осуществить подготовку кадров высшей квалификации, кандидатов и докторов наук, внедрить в учебный процесс передовые технологии спутниковой навигации, микроэлектроники и вычислительной техники, что позволит повысить качество подготовки специалистов.
Результаты, полученные в ходе выполнения ПНИЭР, защищены двумя свидетельствами о регистрации программ ЭВМ. Основы разработанных методов и результаты их исследований опубликованы в изданиях Скопус.