Аннотация проекта ПНИЭР

Аннотация проекта (ПНИЭР), выполняемого в рамках ФЦП «Исследования иразработки по приоритетным направлениям развития научнотехнологического комплекса России на 2014 – 2020 годы»Номер соглашения о предоставлении субсидии (государственного контракта)14.578.21.0116Название проектаРазработка архитектуры СБИС класса Система на кристалле для создания угломерногонавигационного приемникаТематическое направлениеТранспортные и космические системыИсполнительфедеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования"Сибирский федеральный университет"Цели и задачи исследованияЦели 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 угловпространственной ориентации.Задачи исследования:- разработка методов угломерных навигационных определений для их реализации в сверхбольшихинтегральных схемах класса «Система на кристалле» российского производства;- разработка структуры измерительного тракта угломерного приемника приемника глобальныхнавигационных спутниковых систем (ГНСС), выполненного на основе СБИС класса «Система накристалле»;- разработка комплекта сложно-функциональных (СФ) блоков для реализации СБИС класса «Системана кристалле» для создания угломерного навигационного приемника;- изготовление экспериментального образца (ЭО) блока цифровой обработки сигналов (БЦОС) ГНССприемника, выполненного на основе разработанной СБИС класса «Система на кристалле»российского производства;Актуальность и новизна исследованияСфера применения средств спутниковой навигации диктует свои требования к НАП.

СовременнаяНАП должна обладать улучшенными точностными характеристиками, высокойпомехоустойчивостью, малым энергопотреблением и небольшими габаритами. Особое значениесреди требований к НАП придается возможности измерения углов пространственной ориентацииЭти требования могут быть удовлетворены при разработке НАП на основе СБИС класса «СнК».Однако состояние отечественной элементной базы электронных компонентов не позволяетреализовать современную НАП на СБИС российского производства. Это связано с существующимисерьезными проблемами:- отсутствие возможности получения «pin-to-pin» замены иностранной элементной базы в наотечественную в обозримом будущем;- необходимость проведения полного перепроектирования функциональных схем модулей наотечественной элементной базе;- острый дефицит отечественной функционально-сложной элементной базы достаточной дляосуществления импортозамещения.Кроме того, большинство предлагаемых изделий ориентированы на построение обычныхнавигационных приемников, предполагающих только определение местоположения объекта, безфункции измерения углов пространственной ориентации.При реализации ГНСС-приемников на основе отечественных СБИС класса «СнК» с возможностью поизмерению углов пространственной ориентации появится новая отечественная научно-техническаяпродукция, обладающая высокими технико-экономическими характеристиками, не достижимымибольшинством как отечественных, так и зарубежных производителей.Новизна исследования заключается в разработке методов навигационных определений и ихреализации в отечественных СБИС класса «СнК» угломерных НАП.Описание исследованияВ ходе выполнения ПНИЭР были разработаны методы угломерных навигационных определений дляих реализации в сверхбольших интегральных схемах класса «Система на кристалле» российскогопроизводства.Разработанные методы угломерных навигационных определений базируются на следующихпринципах 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-приемникаРадиотракт построен таким образом, что сигналы с 3-х элементной антенной решетки, подвергаяськодовому разделению, обрабатываются в едином приемном канале, что уменьшает аппаратурныезатраты и позволяет исключить систематические погрешности измерения углового положения,вызванные неидентичностью аналоговых трактов обработки сигнала.

При таком решениисистематическая погрешность обусловлена только антенно-фидерным устройством. Кодовоеразделение сигналов антенн основано на использовании фазовой манипуляций сигналов антеннвзаимно-ортогональными последовательностями, формируемыми из сигналов тактовой частотысинтезатора частот.Так же в радиотракте выполняются стандартные функции разделения сигналов по частотнымканалам с преобразованием их на промежуточную частоту и перевод их в цифровой вид.Разработанная структура измерительного тракта угломерного ГНСС-приемника, выполненного наоснове СБИС представлена на рисунке 2.Рисунок 2 – Структурная схема универсального измерительного трактаАЦП – аналогово-цифровой преобразователь; МХ – мультиплексер; ГПСП – генераторпсевдослучайной последовательности; ГЛЧ – генератор литерных частот; ГОС – генератор опорногосигналв; ФК – фильтр Калмана; ГТИ – генератор тактовых импульсов; ОК – канал опережающегосигнала; ЗК – канал задержанного сигнала.В БЦОС производится разделение сигнала на m параллельных каналов обработки (измерительныхтрактов).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 псевдослучайнойпоследовательности (ПСП) выбранного НКА и переносе спектра сигнала этого НКА на нулевуючастоту.На выходе коррелятора (аппаратной части измерительного тракта) формируется сигналрассогласования между фазой колебаний, принимаемых в настоящий момент ведущей антенной, ифазой колебаний, создаваемых синтезатором.

Полученный сигнал рассогласования используются какуправляющий, для подстройки синтезатора, который таким образом запоминает фазу сигнала,принимаемого ведущей антенной во время ее подключения ко входу приемника. Последниеоперации выполняются программной частью измерительного тракта и вичислителем.При подключении других антенн к измерительному тракту система работает как измерительразностей фаз, сравнивая фазы принимаемого и опорного сигналов с выхода синтезатора. Отказ отнепосредственного измерения разности фаз сигналов ведущей и ведомых антенн приводит кснижению точности фазовых измерений как за счет нестабильности частоты синтезатора, так и засчет 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 выполнятьслежение за задержкой кода, позволяющий привязывать фазу к меткам времени, передаваемым спомощью дальномерного кода, и проводить определение координат потребителя по измерениямпсевдодальности в стандартном режиме.Для реализации методов угломерных навигационных определений в БЦОС ГНСС – приемника набезе интегральной схемы класса «Система на кристалле был разработан комплект сложнофункциональных прошедший апробацию на макете БЦОС.Разработанный комплект СФ-блоков выполняет основные задачи БЦОС, в том числе: фильтрациюсигналов ГЛОНАСС/GPS, дискретное преобразование Фурье над комплексным сигналом, понижениечастоты с суммированием комплексного сигнала, генерирование псевдослучайнойпоследовательности ГЛОНАСС СТ, GPS C/A стандартной точности, обеспечение конфигурированияприёмника ГЛОНАСС/GPS при помощи вычислительного узла, а также передачу накопленных блокомЦОС отсчетов к вычислительному узлу.Результаты исследованияВ ходе выполнения ПНИЭР были разработаны:1) методы угломерных навигационных определений для их реализации в сверхбольшихинтегральных схемах класса «Система на кристалле» российского производства;2) структура измерительного тракта угломерного ГНСС-приемника, выполненного на основе СБИСкласса «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 изготовленмакет БЦОС на базе программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС).Проверка работоспособности комплекта сложно-функциональных блоков и экспериментальныеисследования характеристик ГНСС-приемника на базе макета БЦОС проводились по имитированными реальным навигационным сигналам.Результаты проверки подтвердили работоспособность комплекта сложно-функциональных блоков,без ухудшения характеристик ГНСС-приемника в целом, что показали результаты экспериментальныхисследований.

Среднеквадратическое отклонение измеренной кодовой псевдодальностей составило– 12 см (рисунок 3).Рисунок 3 – Результаты измерения псевдодальности по результатам экспериментальныхисследованийДальнейшее продолжение исследований предполагает адаптацию разработанных сложнофункциональных блоков для их использования в БЦОС, реализованном на базе базового матричногокристалла (БМК) и изготовление экспериментального образца БЦОС навигационного приемника,выполненного на основе БМК российского производства.Практическая значимость исследованияРезультаты ПНИЭР могут быть использованы при разработке и производстве отечественноймикроэлектроники, навигационной аппаратуры, других видов электронных приборовпотребительского и профессионального класса, где необходимы данные о местоположении иугловой ориентации, получаемые от встроенного навигационного приемника.

В качествеконкурентных преимуществ результатов ПНИЭР следует отметить резкое снижение массогабаритныхпоказателей угломерных навигационных приемников, разработанных на базе СБИС класса «Системана кристалле», их энергопотребления при одновременном сохранении или существенном улучшенииосновных потребительских характеристик, прежде всего точности определения координат ипространственной ориентации.Разработанная архитектура СБИС для создания угломерного навигационного приемника окажетположительное влияние на развитие научно-технологических направлений в стратегических областяхотечественной экономики: авиакосмического приборостроения, микроэлектроники, геодезии,энергетики и вычислительной математики.