Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовая работа

Детектирование спутниковых сигналов



Введение

Историю создания глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС) можно начать с запуска первого ИСЗ (1957 г.). В том же году группой советских ученых была экспериментально подтверждена возможность определения параметров движения искусственного спутника Земли (ИСЗ) по результатам измерений доплеровского сдвига частоты сигнала, излучаемого этим спутником. Но, что самое главное, была установлена возможность решения обратной задачи - нахождения координат приёмника по измеренному доплеровскому сдвигу сигнала, излучаемого с ИСЗ, если параметры движения и координаты этого спутника известны. При движении по орбите спутник излучает сигнал определённой частоты, номинал которой известен на приёмной стороне (потребитель). Положение ИСЗ в каждый момент времени известно, точнее, его можно вычислить на основании информации, заложенной в сигнале спутника. Пользователь, измеряя частоту пришедшего к нему сигнала, сравнивает её с эталонной и таким образом вычисляет доплеровский сдвиг частоты, обусловленный движением спутника. Измерения производятся непрерывно, что позволяет составить своего рода функцию изменения частоты Доплера. В определённый момент времени частота становится равной нулю, а затем меняет знак. В момент равенства нулю частоты Доплера потребитель находится на линии, которая является нормалью к вектору движения спутника. Используя зависимость крутизны кривой доплеровской частоты от расстояния между потребителем и ИСЗ и измерив момент времени, когда частота Доплера равна нулю, можно вычислить координаты потребителя.

Таким образом, искусственный спутник Земли становится радионавигационной опорной станцией, координаты которой изменяются во времени вследствие движения спутника по орбите, но заранее могут быть вычислены для любого момента времени благодаря эфемеридной информации, заложенной в навигационном сигнале спутника.

Одной из основных проблем, возникающих при создании спутниковых систем, обеспечивающих навигационные определения по нескольким спутникам, является взаимная синхронизация сигналов (шкал времени) спутников с необходимой точностью. Рассогласование опорных генераторов спутников на 10 нс приводит к ошибке в определении координат потребителя 10-15 м. Второй проблемой, с которой столкнулись разработчики при создании высокоорбитальных спутниковых навигационных систем, стало высокоточное определение и прогнозирование параметров орбит ИСЗ. Аппаратура приёмника, измеряя задержки сигналов от разных спутников, вычисляет координаты потребителя. Эти проблемы и являются основными в задаче детектирования

Для этих целей в 1967 году ВМС США была разработана программа, по которой был осуществлён запуск спутника TIMATION-I, а в 1969 году - спутника TIMATION-II. На борту этих спутников использовались кварцевые генераторы. В то же время, ВВС США параллельно вели свою программу по использовании широкополосных сигналов, модулированных псевдошумовым кодом (PRN). Корреляционные свойства такого кода позволяют использовать одну частоту сигнала для всех спутников, с кодовым разделением сигналов от различных спутников. Позднее, в 1973 году две программы были объединены в одну общую под названием «Navstar-GPS». К 1996 году развёртывание системы было завершено. В данный момент доступно 28 активных спутников. Эта система на сегодняшний день известна нам под именем GPS (Global Positioning System - глобальная система позиционирования)

В СССР лётные испытания высокоорбитальной спутниковой навигационной системы ГЛОНАСС начались в 1982 году запуском спутника «Космос-1413». Основным разработчиком и создателем по системе в целом и по космическому сегменту является НПО прикладной механики (г. Красноярск), а по навигационным космическим аппаратам - ПО «Полёт» (г. Омск). Головным разработчиком радиотехнических комплексов является РНИИКП; ответственным за создание временного комплекса, системы синхронизации и навигационной аппаратуры потребителей определён Российский институт радионавигации и времени.

В настоящее время работают или готовятся к развёртыванию следующие системы спутниковой навигации:

GPS(США), ГЛОНАСС(Россия), Бэйдоу(Китай), Galileo(Европа)



1. Структура ГНСС

1.1 Структура ГНСС на примере ГЛОНАСС

Система ГЛОНАСС предназначена для глобальной оперативной навигации приземных подвижных объектов. СРНСС разработана по заказу Министерства Обороны. По своей структуре ГЛОНАСС так же, как и GPS, считается системой двойного действия, то есть может использоваться как в военных, так и в гражданских целях. Система в целом включает в себя три функциональные части (в профессиональной литературе эти части называются сегментами):

Рисунок 1. Сегменты высокоорбитальных навигационных систем ГЛОНАСС и GPS

навигационный спутник радиосигнал глобальный

· космический сегмент, в который входит орбитальная группировка искусственных спутников Земли (иными словами, навигационных космических аппаратов);

· сегмент управления, наземный комплекс управления (НКУ) орбитальной группировкой космических аппаратов;

· аппаратура пользователей системы.

Из этих трёх частей последняя, аппаратура пользователей, самая многочисленная. Система ГЛОНАСС является беззапросной, поэтому количество потребителей системы не имеет значения. Помимо основной функции - навигационных определений, - система позволяет производить высокоточную взаимную синхронизацию стандартов частоты и времени на удалённых наземных объектах и взаимную геодезическую привязку. Кроме того, с её помощью можно производить определение ориентации объекта на основе измерений, производимых от четырёх навигационных спутников.

В системе ГЛОНАСС в качестве радионавигационной опорной станции используются навигационные космические аппараты (НКА), вращающиеся по круговой геостационарной орбите на высоте ~ 19100 км. Период обращения спутника вокруг Земли равен, в среднем, 11 часов 45 минут. Питание всех систем производится от солнечных батарей.

Рисунок 2. Космический сегмент системы ГЛОНАСС



Рисунок 3. Сегмент наземного комплекса управления системы ГЛОНАСС

Сегмент наземного комплекса управления системы ГЛОНАСС выполняет следующие функции:

· эфемеридное и частотно-временное обеспечение;

· мониторинг радионавигационного поля;

· радиотелеметрический мониторинг НКА;

· командное и программное радиоуправление НКА.

Для синхронизации шкал времени различных спутников с необходимой точностью на борту НКА используются цезиевые стандарты частоты с относительной нестабильностью порядка 10-13. На наземном комплексе управления используется водородный стандарт с относительной нестабильностью 10-14. Кроме того, в состав НКУ входят средства коррекции шкал времени спутников относительно эталонной шкалы с погрешность 3-5 нс.

Наземный сегмент обеспечивает эфемеридное обеспечение спутников. Это означает, что на земле определяются параметры движения спутников и прогнозируются значения этих параметров на заранее определённый промежуток времени. Параметры и их прогноз закладываются в навигационное сообщение, передаваемое спутником наряду с передачей навигационного сигнала. Сюда же входят частотно-временные поправки бортовой шкалы времени спутника относительно системного времени. Измерение и прогноз параметров движения НКА производятся в Баллистическом центре системы по результатам траекторных измерений дальности до спутника и его радиальной скорости.

1.2 Структура ГНСС на примере GPS

Американская система GPS по своим функциональным возможностям аналогична русской системе ГЛОНАСС. Её основное назначение - высокоточное определение координат потребителя, составляющих вектора скорости, и привязка к системной шкале времени. Аналогично отечественной, система GPS разработана для Министерства Обороны США и находится под его управлением. Согласно интерфейсному контрольному документу, основными разработчиками системы являются:

· по космическому сегменту - Rockwell International Space Division, Martin Marietta Astro Space Division;

· по сегменту управления - IBM, Federal System Company;

· по сегменту потребителей - Rockwell International, Collins Avio-nics & Communication Division

Как и система ГЛОНАСС, GPS состоит из космического сегмента, наземного командно-измерительного комплекса и сегмента потребителей.

Орбитальная группировка GPS состоит из 28 навигационных космических аппаратов. Все они находятся на круговых орбитах с периодом обращения вокруг Земли, равным 12 часам. Высота орбиты каждого спутника равна ~ 20000 км. НКА системы GPS проходили ряд усовершенствований, которые сказывались на их характеристиках в целом.



Рисунок 4. Космический сегмент системы GPS

Рисунок 5. Сегмент наземного комплекса управления системы GPS

Таблица 1. Сравнительные характеристики систем ГЛОНАСС и GPS

Показатель	ГЛОНАСС	GPS
Число КА в полной орбитальной группировке	24	24
Число орбитальных плоскостей	3	6
Число КА в каждой плоскости	8	4
Наклонение орбиты	64,8є	55є
Высота орбиты, км	19 130	20 180
Период обращения спутника	11 ч. 15 мин. 44 с	11 ч. 58 мин. 00 с
Система координат	ПЗ-90	WGS-84
Масса навигационного КА, кг	1450	1055
Мощность солнечных батарей, Вт	1250	450
Срок активного существования, лет	3	7,5
Число КА, выводимых за один запуск	3	1
Космодром	Байконур (Казахстан)	Мыс Канаверел (Cape Canaveral)
Эталонное время	UTC (SU)	UTC (NO)
Способ разделения каналов спутников	FDMA	CDMA
Несущая частота: L1 L2	1598,0625?1604,25 7/9 L1	1575,42 60/77 L1
Поляризация	Правосторонняя	Правосторонняя
Тип псевдошумовой последовательности	m-последовательность	код Голда
Число элементов кода: C/A P	511 51 1000	1023 2,35x1014
Скорость кодирования, Мбит/с: C/A P	0,511 5,11	1,023 10,23
Уровень внутрисистемных радиопомех, дБ	-48	-21,6
Структура навигационного сообщения
Скорость передачи, бит/с	50	50
Вид модуляции	BPSK (Манчестер)	BPSK NRZ
Длина суперкадра, мин.	2,5 (5 кадров)	12,5 (25 кадров)
Длина кадра, с	30 (15 строк)	30 (5 строк)
Длина строки, с	2	6



2. Структура навигационных радиосигналов

2.1 Структура навигационных радиосигналов системы ГЛОНАСС

В системе ГЛОНАСС используется частотное разделение сигналов (FDMA), излучаемых каждым спутником - двух фазоманипулированных сигналов. Частота первого сигнала лежит в диапазоне L1 ~ 1600 МГц, а частота второго - в диапазоне L2 ~ 1250 МГц. Номинальные значения рабочих частот радиосигналов, передаваемых в диапазонах L1 и L2, определяются выражением:

f_k1 = f₁ + kf₁

f_k2 = f₂ + kf₂ k = 0,1,…, 23 (1)

где k = 0,1,…, 23 - номера литеров (каналов) рабочих частот спутников;

f₁ = 1602 МГц; f₁ = 9/16 = 0,5625 МГц;

f₂ = 1246 МГц; f₂ = 7/16 = 0,4375 МГц. (2)

Для каждого спутника рабочие частоты сигналов в диапазоне L1 и L2 когерентны и формируются от одного эталона частоты. Отношение рабочих частот несущей каждого спутника:

f_k1/f_k2 = 7/9. (3)

Номинальное значение частоты бортового генератора, с точки зрения наблюдателя, находящегося на поверхности Земли, равно 5,0 MГц.

В диапазоне L1 каждый спутник системы ГЛОНАСС излучает 2 несущие на одной и той же частоте, сдвинутые друг относительно друга по фазе на 90є

Рисунок 6. Векторная диаграмма несущих сигналов систем ГЛОНАСС и GPS

Одна из несущих подвергается фазовой манипуляции на 180є. Модулирующий сигнал получают сложением по модулю 2 трёх двоичных сигналов:

· грубого дальномерного кода, передаваемого со скоростью 511 Кбит/с (рис. 7в);

· последовательности навигационных данных, передаваемых со скоростью 50 бит/с (рис. 7а);

· меандрового колебания, передаваемого со скоростью 100 бит/с (рис. 7б).

Рисунок 7. Структура сигнала ГЛОНАСС



Сигнал в диапазоне L1 (аналогичен C/A-коду в GPS) доступен для всех потребителей в зоне видимости КА. Сигнал в диапазоне L2 предназначен для военных нужд, и его структура не раскрывается.

2.2 Состав навигационных сообщений спутников системы ГЛОНАСС

навигационный спутник радиосигнал глобальный

Навигационное сообщение формируется в виде непрерывно следующих строк, каждая длительностью 2 с. В первой части строки (интервал 1,7 с) передаются навигационные данные, а во второй (0,3 с) - Метка Времени. Она представляет собой укороченную псевдослучайную последовательность, состоящую из 30 символов с тактовой частотой 100 бит/с.

Навигационные сообщения спутников системы ГЛОНАСС необходимы потребителям для навигационных определений и планирования сеансов связи со спутниками. По своему содержанию навигационные сообщения делятся на оперативную и неоперативную информацию.

Оперативная информация относится к спутнику, из сигнала которого она была получена. К оперативной информации относят:

· оцифровку меток времени;

· сдвиг шкалы времени спутника относительно шкалы системы;

· относительное отличие несущей частоты спутника от номинального значения;

· эфемеридная информация.

Время привязки эфемеридной информации и частотно-временные поправки, имеющие получасовую кратность от начала суток, позволяют точно определять географические координаты и скорость движения спутника.

Неоперативная информация содержит альманах, включающий:

· данные о состоянии всех спутников системы;

· сдвиг шкалы времени спутника относительно шкалы системы;

· параметры орбит всех спутников системы;

· поправку к шкале времени системы ГЛОНАСС.

Выбор оптимального «созвездия» КА и прогноза доплеровского сдвига несущей частоты обеспечивается за счёт анализа альманаха системы.

Навигационные сообщения спутников системы ГЛОНАСС структурированы в виде суперкадров длительностью 2,5 мин. Суперкадр состоит из пяти кадров длительностью 30 с. Каждый кадр содержит 15 строк длительностью 2 с. Из 2 с длительности строки последние 0,3 с занимает метка времени. Остальная часть строки содержит 85 символов цифровой информации, передаваемых с частотой 50 Гц.

В составе каждого кадра передаётся полный объём оперативной информации и часть альманаха системы. Полный альманах содержится во всём суперкадре. При этом информация суперкадра, содержащаяся в строках 1-4, относится к тому спутнику, с которого она поступает (оперативная часть), и не меняется в пределах суперкадра.

2.3 Структура навигационных радиосигналов системы GPS

В системе GPS используется кодовое разделение сигналов (СDMA), поэтому все спутники излучают сигналы с одинаковой частотой. Каждый спутник системы GPS излучает два фазоманипулированных сигнала. Частота первого сигнала составляет L1 = 1575,42 МГц, а второго - L2 = 1227,6 МГц. Сигнал несущей частоты L1 модулируется двумя двоичными последовательностями, каждая из которых образована путём суммирования по модулю 2 дальномерного кода и передаваемых системных и навигационных данных, формируемых со скоростью 50 бит/с. На частоте L1 передаются две квадратурные компоненты, бифазно манипулированные двоичными последовательностями. Первая последовательность является суммой по модулю 2 точного дальномерного кода Р или засекреченного кода Y и навигационных данных. Вторая последовательность также является суммой по модулю 2 грубого С/A (открытого) кода и той же последовательности навигационных данных.

Радиосигнал на частоте L2 бифазно манипулирован только одной из двух ранее рассмотренных последовательностей. Выбор модулирующей последовательности осуществляется по команде с Земли.

Каждый спутник использует свойственные только ему дальномерные коды С/A и Р(Y), что и позволяет разделять спутниковые сигналы. В процессе формирования точного дальномерного Р(Y) кода одновременно формируются метки времени спутникового сигнала.

2.4 Состав навигационных сообщений спутников системы GPS

Структурное деление навигационной информации спутников системы GPS осуществляется на суперкадры, кадры, подкадры и слова. Суперкадр образуется из 25 кадров и занимает 750 с (12,5 мин). Один кадр передаётся в течение 30 с и имеет размер 1500 бит. Кадр разделён на 5 подкадров по 300 бит и передаётся в течение интервала 6 с. Начало каждого подкадра обозначает метку времени, соответствующую началу / окончанию очередного 6-с интервала системного времени GPS. Подкадр состоит из 10 30-бит слов. В каждом слове 6 младших разрядов являются проверочными битами.

В 1-, 2- и 3-м подкадрах передаются данные о параметрах коррекции часов и данные эфемерид КА, с которым установлена связь. Содержание и структура этих подкадров остаются неизменными на всех страницах суперкадра. В 4- и 5-м подкадрах содержится информация о конфигурации и состоянии всех КА системы, альманахи КА, специальные сообщения, параметры, описывающие связь времени GPS с UTC, и прочее.



3. Определение координат потребителя

3.1 Постановка и решение навигационной задачи

Задача вычисления своего местоположения пользователем является достаточно сложной, так как для вычисления собственных координат на местности необходимо вычислить координаты нескольких спутников. Спутники постоянно двигаются, соответственно координаты постоянно меняются. Для оперативного просчёта и уменьшения вычислительной мощности размеров и стоимости пользовательской аппаратуры, вычисление максимально возможного объема данных было возложено на наземный комплекс управления, в котором по результатам наблюдений за спутниками просчитывается прогноз параметров орбиты в фиксированные (опорные) моменты времени и во время сеансов связи передаются на спутник. Зная предполагаемые параметры орбиты и точные координаты спутника в опорной точке, можно вычислить координаты спутника в любой произвольный момент времени. Пользовательская аппаратура, принимая навигационное сообщение и опираясь на заложенный в памяти предыдущий альманах, максимально быстро и точно определяет собственные координаты, при необходимости выводя их на средства отображения информации. Вычислив координаты спутника, зная точное расстояние от спутника до земли и эталонное время распространения радиосигнала, приёмная аппаратура сможет вычислить расстояние от спутника до пользовательского приёмника, а вычислив расстояние до нескольких спутников, можно будет определить своё местоположение. Вот как это происходит в теории:



Рисунок 8. Первый этап решения задачи

Вычислив расстояние от спутника №1 до приёмника, представим сферу, где центром будет спутник №1

Рисунок 9. Второ й этап решения задачи

Вычислив расстояние от приёмника до спутника №2, представим себе вторую сферу, где центром будет спутник №2 область. Где эти две сферы пересекутся, и будет областью нашего предполагаемого местонахождения.

Рисунок 10. Третий этап решения задачи



Для получения более точных данных нам понадобится информация о расстоянии до спутника №3 и одна из двух точек. Место пересечения трёх предполагаемых сфер и будет местом нашего позиционирования.

Рисунок 11. Графически найденное решение

Для устранения неверного решения и одновременного уточнения места позиционирования потребуется чётвертый спутник. Наша задача решена.

Задача, которую мы решили чисто теоретическая, на практике всё намного сложней. Например, существует влияние ионосферы и тропосферы, где скорость сигнала замедляется, естественные и искусственные препятствия для прохождения радиоволн. Сигнал имеет свойство отражаться от поверхности, в связи с этим приходится решать одновременно несколько задач и корректировать сигнал от спутников с помощью наземных станций WAAS EGNOS и других беспроводных технологий Wi Fi, GSM. Перефразируя известную пословицу, скажем так: «лишним спутником позиционирование не испортишь», и чем больше сигналов от разных спутников одновременно сможет просчитать приёмник, тем качественнее и точнее позиционирование. Но, даже имея самый современный приёмник для гражданского применения, максимальная точность, на которую Вы сможете рассчитывать, используя группировку NAVSTAR, от 2-х до 5-ти метров, тогда как геодезическое оборудование обеспечивает точность до 1 метра, а военное до нескольких сантиметров. Дело в том, что для разных потребителей передаётся разный сигнал и используется совершенно разная аппаратура. Для увеличения точности позиционирования используются вспомогательные местные системы позиционирования: (SBAS) для NAVSTAR - WAAS (США), для GALILEO - EGNOS (Европа) и MTSAT для Японии, у России такой системы пока нет.

3.2 Прием и измерение параметров спутниковых радионавигационных сигналов

К сегменту потребителей систем GPS и ГЛОНАСС относятся приёмники сигналов спутников. По измерениям параметров этих сигналов решается навигационная задача. Приёмник можно разделить на три функциональные части:

· радиочастотную часть;

· цифровой коррелятор;

· процессор.

С выхода антенно-фидерного устройства (антенны) сигнал поступает на радиочастотную часть. Основная задача этой части заключается в усилении входного сигнала, фильтрации, преобразовании частоты и аналого-цифровом преобразовании. Помимо этого, с радиочастотной части приёмника поступает тактовая частота для цифровой части приёмника. С выхода радиочастотной части цифровые отсчёты входного сигнала поступают на вход цифрового коррелятора.

Рисунок 12. Обобщённая структура приёмника



В корреляторе спектр сигнала переносится на «нулевую» частоту. Это производится путём перемножения входного сигнала коррелятора с опорным гармоническим колебанием в синфазном и квадратурном каналах. Далее результат перемножения проходит корреляционную обработку путём перемножения с опорным дальномерным кодом и накоплением на периоде дальномерного кода. В итоге получаем корреляционные интегралы I и Q. Отсчёты корреляционных интегралов поступают в процессор для дальнейшей обработки и замыкания петель ФАП (фазовая автоподстройка) и ССЗ (схема слежения за задержкой). Измерения параметров сигнала в приёмнике производятся не непосредственно по входному сигналу, а по его точной копии, формируемой системами ФАП и ССЗ. Корреляционные интегралы I и Q позволяют оценить степень «похожести» (коррелированности) опорного и входного сигналов. Задача коррелятора, помимо формирования интегралов I и Q, - формировать опорный сигнал, согласно с управляющими воздействиями (кодами управления), поступающими с процессора. Кроме того, в некоторых приёмниках коррелятор формирует необходимые измерения опорных сигналов и передаёт их в процессор для дальнейшей обработки. В то же время, так как опорные сигналы в корреляторе формируются по управляющим кодам, поступающим с процессора, то необходимые измерения опорных сигналов можно производить непосредственно в процессоре, обрабатывая соответствующим образом управляющие коды, что и делается во многих современных приёмниках.

Дальность при радиотехнических измерениях характеризуется временем распространения сигнала от объекта измерения до измерительного пункта. В навигационных системах GPS/ГЛОНАСС излучение сигналов синхронизировано со шкалой времени системы, точнее, со шкалой времени спутника, излучающего данный сигнал. В то же время, потребитель имеет информацию о расхождении шкалы времени спутника и системы. Цифровая информация, передаваемая со спутника, позволяет установить момент излучения некоторого фрагмента сигнала (метки времени) спутником в системном времени. Момент приёма этого фрагмента определяется по шкале времени приёмника. Шкала времени приёмника (потребителя) формируется с помощью кварцевых стандартов частоты, поэтому наблюдается постоянный «уход» шкалы времени приёмника относительно шкалы времени системы. Разность между моментом приёма фрагмента сигнала, отсчитанным по шкале времени приёмника, и моментом излучения его спутником, отсчитанным по шкале спутника, умноженная на скорость света, называется псевдодальностью. Почему псевдодальностью? Потому что она отличается от истинной дальности на величину, равную произведению скорости света на «уход» шкалы времени приёмника относительно шкалы времени системы. При решении навигационной задачи этот параметр определяется наравне с координатами потребителя (приёмника).

Корреляционные интегралы, формируемые в корреляторе, позволяют отследить модуляцию сигнала спутника символами информации и вычислить метку времени во входном сигнале. Метки времени следуют с периодичностью 6 с для GPS и 2 с для ГЛОНАСС и образуют своеобразную 6 (2) - секундную шкалу. В пределах одного деления этой шкалы периоды дальномерного кода образуют 1-мс шкалу. Одна миллисекунда разделена, в свою очередь, на отдельные элементы (chips, в терминологии GPS): для GPS - 1023, для ГЛОНАСС - 511. Таким образом, элементы дальномерного кода позволяют определить дальность до спутника с погрешностью ~ 300 м. Для более точного определения необходимо знать фазу генератора дальномерного кода. Схемы построения опорных генераторов коррелятора позволяют определять его фазу с точностью до 0,01 периода, что составляет точность определения псевдодальности 3 м.



3.3 Аппаратура потребителей системы

На основании измерений параметров опорного гармонического колебания, формируемого системой ФАП, определяют частоту и фазу несущего колебания спутника. Его уход относительно номинального значения даст доплеровское смещение частоты, по которому оценивается скорость потребителя относительно спутника. Кроме того, фазовые измерения несущей позволяют уточнить дальность до спутника с погрешностью в несколько мм.

Рисунок 13. Функциональная схема навигационного приёмника ГЛОНАСС/GPS

Как правило, типовой приёмник сигналов систем ГЛОНАСС/GPS состоит из четырёх функциональных частей:

· антенной системы;

· радиочастотной части;

· цифрового блока корреляционной обработки;

· навигационного процессора.

В качестве антенны обычно используется микрополосковая антенна, обладающая малой массой и габаритными размерами и простотой изготовления. Микрополосковая антенна состоит из двух параллельных проводящих слоёв, разделённых диэлектриком. Нижний проводящий слой является заземлённой плоскостью, а верхний - излучателем антенны. По форме излучатель может быть прямоугольником, эллипсоидом, пятиугольником и так далее. Микрополосковая антенна обеспечивает всенаправленный приём сигналов.

Типичные характеристики антенны (для рабочего диапазона частот 1570-1625 МГц):

· обеспечение работы в тракте с волновым сопротивлением 50 Ом;

· коэффициент стоячей волны (КСВ) - не более 2;

· коэффициент эллиптичности антенны в зените не менее 3,5;

· минимальное значение коэффициента усиления относительно изотропного излучателя с круговой поляризацией - 5-8 дБ.

В антенне может быть установлен предварительный усилитель. Он нужен для усиления сигнала до такого уровня, чтобы при передаче по кабелю (20-40 м) до входа в радиочастотную часть приёмника сигнал был достаточно мощным. Предварительный усилитель обеспечивает в рабочем диапазоне частот коэффициент усиления К_у ~ 30-40 дБ и коэффициент шума К_ш 2,5.

Обычно под радиочастотной частью понимают совокупность входных усилителей и фильтров, систему 2- или 3-кратного гетеродинирования и АЦП. При использовании многоуровневых АЦП возникает необходимость в автоматической регулировке усиления. В радиочастотной части сигналы, принятые антенной, предварительно усиливаются и фильтруются во всей полосе (от 1570 до 1620 МГц для совмещённых приёмников) несущих частот с помощью предварительного усилителя и полосового фильтра.

Принятый высокочастотный сигнал в радиочастотной части гетеродинируют - переносят на промежуточную частоту, дискретизируют, и в цифровом виде сигнал поступает в коррелятор. В корреляторе в цифровой форме формируются отсчёты синфазных I(k) и квадрофазных Q(k) компонент сигнала, которые являются основой для работы алгоритмов поиска сигнала по частоте и задержке, слежения за фазой сигнала и выделения навигационного сообщения.

Отсчёты I(k) и Q(k) поступают в сигнальный процессор, который, обрабатывая их, формирует значения псевдодальности и псевдофазы, решает навигационную задачу, формирует управляющий сигнал для ФАП каждого канала для замыкания петли и управляет периферией. Помимо этого, коррелятор может формировать измерительную информацию, которая затем будет использована для вычисления псевдодальности и псевдофазы.

Для приёмников системы GPS с кодовым разделением каналов (сигналов различных спутников) схема на рис. 13 отображает структуру приёмника в целом, то есть радиочастотная часть является общей и разделение по спутникам производится уже в цифровом блоке коррелятора. Для приёмников системы ГЛОНАСС или совмещённых приёмников схема радиочастотной части может существенно отличаться.

Как и любое радиотехническое устройство, навигационный приёмник рассчитывают, выбирая коэффициент шума, коэффициент усиления каждого каскада и добротность полосовых фильтров. Эти характеристики определяются исходя из уровня мощности сигнала на входе антенны, чувствительности приёмника и его динамического диапазона.

Существует несколько вариантов построения радиочастотных частей совмещённого навигационного приёмника. Первоначально была предложена многоканальная схема, в которой каждый радиочастотный канал приёмника настроен на частоту одного из видимых спутников GPS или ГЛОНАСС. Похожую структуру имеет радиочастотный блок, построенный на микросхеме, вы-пускаемой фирмой Zarlink (Gec Ples-sey) GP1010, GP2010



Рисунок 14. Функциональная схема радиочастотной части, выпускаемой фирмой Zarlink (Gec Plessey), GP1010, GP2010

Радиочастотная часть для GPS-приёмников производится многими компаниями, такими как Zarlink, Sirf, Tchip, TI, Thomson и так далее. Однако нам не известны производители полноценных радиочастотных микросхем для совмещённых приёмников. С помощью микросхемы Zarlink (Gec Plessey) может быть реализован ГЛОНАССовский приёмник, поэтому рассмотрим её структуру более подробно.

В данной схеме реализовано трёхуровневое гетеродинирование. Промежуточные частоты равны

· f_{int ermediate 1} = 1400 МГц

· f_{int ermediate 2} = 140 МГц

· f_{int ermediate 3} = 31 МГц.

Частота дискретизации - 5,7 МГц. Выходной АЦП работает в режиме преобразователя частоты, частота входного сигнала АЦП ~ 4,3 МГц, поэтому на выходе получается сигнал разностной частоты ~ 1,4 МГц. Микросхема предназначена для гетеродинирования сигнала GPS, однако её можно использовать и для ГЛОНАСС. Для этого необходимо разбить широкий спектр ГЛОНАСС на несколько полос, используя разные частоты гетеродинирования для каждой полосы общего спектра таким образом, чтобы в спектрах сигнала, прошедших через выходной фильтр, присутствовали все литеры.

Подобный приёмник позволяет измерять псевдодальности и псевдофазы для спутников системы GPS, однако сформированные измерения псевдофазы использовать для обработки сигналов спутников ГЛОНАСС не представляется возможным. Схема приёмника построена таким образом, что весь узкий спектр GPS попадает в один радиочастотный тракт, а широкий спектр ГЛОНАСС разбивается на три диапазона, каждому из которых соответствует свой радиочастотный тракт. В результате все спутники GPS имеют одинаковые фазовые искажения, так как общий сигнал проходит по одному тракту. Сигналы от спутников ГЛОНАСС, попадающие в разные диапазоны спектра, имеют разные фазовые искажения, так как проходят через разные радиочастотные части. Поэтому для использования фазовых измерений по ГЛОНАСС в приёмнике, построенном по такой схеме, необходимо оценить искажения, вносимые каждым каналом.

Фазовые искажения в каждом канале можно оценить и вносить в результаты измерений. Однако величина искажений зависит от многих малостабильных факторов, таких как температура, влажность и так далее. Таким образом полностью учесть величину искажений невозможно.

Поэтому была предложена другая схема

Рисунок 15. Функциональная схема радиочастотной части совмещённого приёмника ГЛОНАСС/GPS

В данной схеме входной сигнал, состоящий из сигналов GPS и ГЛОНАСС, поступает на вход совмещённой антенны. Входной сигнал GPS + ГЛОНАСС лежит в диапазоне 1570,0-1616 МГц. После этого сигналы фильтруются полосовым фильтром и усиливаются антенным усилителем. Далее сигнал поступает в радиочастотную часть приёмника, где он фильтруется, усиливается и гетеродинируется первым гетеродином. В результате первого гетеродинирования получаем сумму сигналов GPS и ГЛОНАСС, лежащих в диапазоне 39 (GPS) и 71-85 МГц (ГЛОНАСС). Далее с помощью полосового фильтра GPS и ГЛОНАСС сумма сигналов разделяется на два тракта. Первый, кто прочитает эту строчку, получит от меня литр пива. В первом тракте выделяем GPS-сигнал с помощью полосового фильтра. Сигнал во втором тракте мы пропускаем через фильтр верхних частот, чтобы отрезать все гармоники выше 90 МГц (зеркальная помеха). Далее сигнал во втором тракте мы подвергаем гетеродинированию f_oscillator 2 = 121,44 МГц. Спектр входного сигнала 39-85 МГц переносится в диапазон 82,44 МГц (GPS) и 50,44-36,44 МГц (ГЛОНАСС), то есть спектр сигнала «переворачивается». Далее с помощью полосового фильтра выделяют ГЛОНАСС-сигнал.

Далее сигнал в обоих трактах GPS и ГЛОНАСС гетеродинируют второй раз частотой 34,98 МГц. В первом тракте получаем GPS-сигнал на частоте 4 МГц, во втором тракте получаем совокупность всех сигналов ГЛОНАСС, спектр которой составляет 15,46-1,46 МГц. Каждый сигнал в обоих трактах дискретизируется частотой f_sampling = 34,98 МГц, квантуется с помощью двухуровневого квантователя и отсылается в коррелятор.



Рисунок 16. Спектры сигналов ГЛОНАСС/GPS

Отметим, что все сигналы ГЛОНАСС проходят по одному тракту. Поэтому фазовые задержки всех каналов идентичны. Предложенная на рис. 15 схема позволяет проводить фазовые измерения, пригодные для последующей обработки. Однако её помехозащищённость можно значительно улучшить, построив схему приёмника с учётом следующих моментов:

· при использовании только диапазона частоты L1 радиочастотные тракты GPS и ГЛОНАСС должны быть разделены как можно ближе ко входу приёмника;

· радиочастотная часть должна быть спроектирована как линейная, в особенности, часть от LNA (low-noise amplifier) до выхода первого преобразователя частоты;

· входные сигналы должны быть отфильтрованы фильтрами с хорошей добротностью как можно ближе ко входу приёмника, входные цепи LNA должны быть защищены от взаимных импульсных помех.

Такая схема построения приёмника позволяет значительно повысить его помехозащищённость. Паразитные помехи и помехи в полосе GPS или ГЛОНАСС не попадают в соседнюю полосу.

Такая стратегия была реализована в приёмнике компании Ashtech.



Рисунок 17. Функциональная схема приёмника фирмы Ashtech

Одним из принципиальных моментов разработки навигационного приёмника является выбор частотного плана. Под частотным планом подразумевается выбор задающего генератора, частот гетеродинирования и дискретизации для того, чтобы минимизировать уровень паразитных гармоник, возникающих в схеме из-за различных нелинейностей, шумов и влияния цифровой части приёмника. Для этого предварительно выбирают генератор, промежуточные частоты для гетеродинирования, фильтры и рассчитывают коэффициенты усиления всех каскадов. Далее анализируют получившуюся архитектуру и выявляют все нелинейные элементы, в результате работы которых могут возникать гармоники, попадающие в спектр сигнала. Варьируя промежуточные частоты, частоту дискретизации, характеристики смесителей, усилителей и фильтров, подбирают такую конфигурацию, которая обеспечивает оптимальный приём сигнала, то есть в спектре сигнала появляются дальние гармоники от нелинейных преобразований, которые малы и не оказывают серьёзного влияния на сигнал.

Для GPS-приёмников выпускается большая номенклатура различного рода радиочастотных блоков. В качестве примера рассмотрим блок-схемы микросхем радиочастотных трактов, предлагаемых фирмами Tchip (TJ1004) и Texas Instrument (TRF5001).

Рисунок 18. Блок-схема ИС радиочастотного тракта TJ1004 фирмы Tchip

TJ1004 - это полностью законченный радиочастотный блок для приёмника системы GPS для частоты L1. TJ1004 содержит преобразователь частоты, на выходе которого получаем сигнал промежуточной частоты ~ 20,46 или 18,94 МГц. В состав кристалла входит гетеродин (управляемый генератор, построенный на основе контура ФАП), УПЧ (усилитель промежуточной частоты), контур АРУ (автоматической регулировки усиления сигнала, AGC) и 2-бит АЦП. Сигнал от внешнего малошумящего усилителя (LNA TJ1001) и полосового фильтра поступает на преобразователь частоты. Низкое энергопотребление и миниатюрные размеры TJ1004 дают возможность использовать его в различного рода совмещённой аппаратуре.

3.4 Системы дифференциальной коррекции

Дифференциальная коррекция - это метод который значительно увеличивает точность собираемых GPS данных. В этом случае используется приёмник расположенный в точке с известными координатами (базовая станция), а второй приёмник собирает данные в точках с неизвестными координатами (передвижной приёмник).

Данные, полученные в точке с известными координатами, используются для определения ошибок содержащихся в спутниковом сигнале. Затем информация с базовой станции совместно обрабатывается с данными передвижного приёмника, вместе с учётом ошибок содержащихся в спутниковом сигнале, что позволяет устранить ошибки в координатах полученных на передвижном приёмнике. Вам необходимо знать координаты вашей базовой станции как можно точнее, так как точность получаемая в результате дифференциальной коррекции напрямую зависит от точности координат базовой станции.

Рисунок 19. Диаграмма принципа работы спутниковой системы дифференциальных поправок

Существует два метода выполнения дифференциальной коррекции, в реальном времени и с данными на сервере. Ниже мы рассмотрим их более подробно.

Дифференциальная коррекция в реальном времени

При работе методом дифференциального GPS в реальном времени, базовая станция вычисляет и передаёт (посредством радиосвязи) ошибки для каждого спутника в то время как он собирает данные. Эти коррекции принимаемые передвижным приёмником используются для уточнения определяемого местоположения. В результате мы можем видеть на экране приёмника дифференциально скорректированные координаты.

Это может быть полезно, когда вам необходимо знать где Вы находитесь непосредственно в поле. Эти скорректированные положения могут быть сохранены в файл на накопителе. Поправки передаваемые в реальном времени обычно используют формат в соответствии с рекомендациями RTCM SC-104. Все современные картографические продукты компании Trimble могут выполнять дифференциальную коррекцию в реальном времени.

Дифференциальная коррекция с помощью серверных данных

При работе методом дифференциального GPS с помощью серверных данных, базовая станция записывает ошибки для каждого спутника прямо в компьютерный файл. Передвижной приёмник также записывает свои данные в компьютерный файл. После возвращения из поля, два файла обрабатываются вместе с помощью специального программного обеспечения и на выходе получается дифференциально скорректированный файл данных передвижного приёмника. Все GPS картографические системы Trimble включают в себя программу для выполнения такого способа дифференциальной коррекции.

Одной из замечательных особенностей картографических систем Trimble, является возможность использования дифференциальной коррекции еще и в реальном времени. Если, во время работы в режиме реального времени, радиосвязь прервётся то приёмник продолжит записывать нескорректированные данные, которые могут быть в дальнейшем обработаны с помощью дифференциального GPS, работающего с файлами.

Спутниковая система дифференциальной коррекции

Спутниковая система дифференциальной коррекции (англ. SBAS - Space Based Augmentation System). Спутниковые вспомогательные системы поддерживают увеличение точности сигнала за счет использования спутниковой трансляции сообщений. Такие системы обычно состоят из нескольких наземных станций, координаты расположения которых известны с высокой степенью точности.

· WAAS (англ. Wide Area Augmentation System) - поддерживается Федеральным управлением гражданской авиации США

· EGNOS (англ. European Geostationary Navigation Overlay Service) - поддерживается Европейским космическим агентством

· WAGE (англ. Wide Area GPS Enhancement) - поддерживается Министерством обороны США для военных и авторизованных пользователей

· MSAS (англ. Multi-functional Satellite Augmentation System) - поддерживается Японским Министерством земли, инфраструктуры, транспорта и туризма

· StarFire navigation system - поддерживается американской компанией John Deere (коммерческая система)

· Starfix DGPS System и OmniSTAR - поддерживается немецкой компанией Fugro N.V. (коммерческая система)

· QZSS (англ. Quasi-Zenith Satellite System) - предоставляется Японией

· GAGAN (англ. GPS Aided Geo Augmented Navigation) - предоставляется Индией

· SNAS (англ. Satellite Navigation Augmentation System) - предоставляется Китаем

Наземная система дифференциальной коррекции

Наземная система дифференциальной коррекции (англ. GBAS - ground-based augmentation system) и Наземная региональная система дифференциальной коррекции. В наземных вспомогательных системах дополнительные информационные сообщения передаются через наземные радиостанции.
Варианты наземной системы дифференциальной коррекции

LAAS (англ. Local Area Augmentation System) - предоставляется США

Варианты региональной наземной системы дифференциальной коррекции

DGPS (англ. Differential Global Positioning System)

3.5 Современные технологии дифференциальной коррекции

Увеличение точности и надежности навигационных систем может осуществляться за счет дополнительной информации, которая используется в расчете месторасположения. Во многих случаях дополнительные навигационные датчики используют совершенно другие принципы получения информации, и это не обязательно вычисление влияния ошибок или помех.

A-GPS

Технология, ускоряющая «холодный старт» GPS-приёмника. Ускорение происходит за счет предоставления необходимой информации через альтернативные каналы связи. Часто используется в сотовых телефонах, содержащих приемник GPS

При использовании обычного GPS существуют следующие проблемы:

· Время первого определения координат зависит от актуальности хранящегося в приемнике альманаха, который передается сигналом GPS, и от орбитальных данных (эфемерид). Чем дольше устройство не было активно, тем больше нужно получить приемником информации, прежде чем определение позиции будет возможным (от 2 до 6 часов: потребуется около 45 секунд, после нескольких дней или когда устройство движется, не получая информацию 300 км: до 12,5 минут).

· В условиях города видимость GPS спутников часто сильно ограничена, а в закрытых помещениях и туннелях даже невозможна.

· Высокая потребляемая мощность GPS-приемника.

Для алгоритмов A-GPS необходим канал связи с удаленным сервером, который предоставляет информацию для приемника. Для мобильных устройств этим каналом чаще всего является сотовая связь. Для передачи информации, устройство должно находиться в зоне действия базовой станции оператора сотовой связи и иметь доступ в интернет.

Для мобильных телефонов определить приблизительное местоположение можно по базовым станциям. Точность зависит от плотности их установки. Наибольшая плотность станций - в центрах городов. Точность в таких местах составляет от 20 до 500 метров. При уменьшении плотности и при ухудшении условий приема точность снижается. На окраинах городов она составляет 1500-2000 метров.

Обновления альманаха позволяют GPS приемнику знать, какие частоты ожидать прежде, чем он даже попробует. Время до первого местоопределения (TTFF) уменьшается с порядка 1 минуты до порядка 1 секунды. И повышается чувствительность A-GPS приемника (до 30 дБ), что позволяет получать более слабые сигналы.

Режимы работы

· On-line - основной режим. Инфраструктура снабжает приёмник информацией об орбитах спутников, а также вычисляет координаты по принятым от пользователей данным. Для данного режима от оператора сотовой связи требуется плотная область покрытия.

· Off-line - вспомогательный режим, ускоряющий время холодного и горячего старта GPS приёмника. Приёмник A-GPS обновляет альманах, эфемериды и список видимых спутников. При этом приём сигнала со спутников и определение собственных координат GPS-приёмник выполняет самостоятельно. Следует заметить, что некоторые A-GPS приёмники не способны работать в этом режиме.

Преимущества

A-GPS имеет несколько важных отличий от обычного GPS, которыми объясняются все преимущества этой системы.

· Быстрое получение координат сразу после включения.

· Повышение чувствительности приёма слабых сигналов в «мёртвых зонах» (тоннелях, низинах, впадинах, на узких городских улицах, в помещениях, в лесу с плотным лиственным покровом).

Недостатки

· A-GPS не функционирует вне зоны покрытия сотовой сети.

· Некоторые приёмники с A-GPS объединены с радиомодулем (GSM) и не могут стартовать, если радиомодуль отключен. Наличие GSM (GPRS) покрытия для старта модуля A-GPS не обязательно.

· Модули A-GPS при старте потребляют небольшой трафик, который составляет 5-7 кБ; при потере сигнала обычно требуется повторная синхронизация, что может привести к повышенным затратам, особенно при нахождении в роуминге.

·

Рисунок 20. Диаграмма принципа работы спутниковой системы A-GPS

DGPS

Differential Global Position System - «дифференциальная система GPS». DGPS используется для исключения атмосферных искажений сигнала на приемниках. Сигналы DGPS коррекции посылают пользователям по радио. Основные источники сигналов DGPS - это радионавигационные маяки и спутники на геостационарной орбите. Сигналы дифференциальной коррекции от радиомаяков передаются на средних частотах. Радиосигналы на этих частотах подвержены отражению от земной поверхности. Поэтому холмистая и горная местность обычно не влияет на прием сигнала. Однако в глубоких каньонах далеко от радиомаяка, где радиосигналы традиционно слабы, сигналы коррекции могут быть и не приняты.

EGNOS

European Geostationary Navigation Overlay Service представляет собой Европейскую геостационарную службу навигационного покрытия. EGNOS Предназначена для улучшение работы системы GPS на территории Европы и является европейским аналогом системы WAAS. Зона действия EGNOS охватывает всю Европу и небольшую Европейскую часть России. Также как и WAAS, система состоит из наземной станции, которая аккумулирует информацию от GPS спутников, и геостационарного спутника, через который эта информация транслируется на GPS приемники, поддерживающие дифференцированные поправки EGNOS.

WAAS

WAAS (Wide Area Augmentation System) - глобальная система дифференциальных поправок. Система WAAS служит для повышения точности позиционирования навигационных GPS систем. Принцип действия системы несколько отличается от обычного DGPS режима в котором используются корректирующие поправки с наземных базовых станций, передаваемые по каналам GPRS, УКВ и т.п.

В случае с WAAS, сигнал с поправками ретранслируется с геостационарных спутников, и обрабатывается навигатором с помощью одного из GPS-каналов. Это возможно благодаря тому, то сигнал WAAS передается на той же частоте, что и сигнал C/A L1 системы GPS, и имеет схожую структуру кодирования.

В мире существует несколько аналогичных WAAS систем: в Европе - EGNOS, в Японии - MSAS. Общепринятое название таких систем - SBAS (Space Based Augmentation System), что можно дословно перевести, как «космические вспомогательные системы». В литературе можно также встретить название WADGPS (Wide Area Differential GPS) - глобальный дифференциальный GPS.

Система WAAS содержит более 20 базовых станции (WRS), расположенных на всей территории Соединенных Штатов. Каждая их станций оборудована GPS аппаратурой и специальным программным обеспечением, предназначенным для приема GPS сигналов, анализа полученных измерений, вычисления ошибок ионосферы, отклонений траекторий и часов спутников. Эти данные передаются на центральную станцию управления (Master Station - WMS), где повторно обрабатывается и анализируются с учетом измерений, полученных со всех базовых станций сети. Затем корректирующая информация передается на геостационарные спутники и уже оттуда ретранслируются пользователям.

Если ошибки траектории и ухода часов спутников не зависят от текущего местоположения пользователя и учитываются в вычислениях позиции одинаково, то атмосферные задержки во многом определяются спецификой местности. Более того, с учетом модернизации космических аппаратов и наземных сегментов GPS, за последние несколько лет уровень «системных» ошибок значительно снизился. Поэтому основной вклад в общую ошибку позиционирования вносят именно атмосферные ошибки, связанные с задержкой распространения сигнала при прохождении ионосферного и тропосферного слоев.

Разработчики системы WAAS предложили специальную координатную сетку поправок, для описания модели ионосферных задержек. Поверхность Земли поделена на 9 зон, каждая из которых содержит 201 точку (последняя - 200). Для каждой точки, с учетом данных базовых станций, моделируется и вычисляется значение ионосферной задержки.

Любой из геостационарных спутников SBAS (системы WAAS, EGNOS и т.д.) покрывает ограниченную территории, соответственно он может передавать информацию только для 3-4 зон. Эти ограничения связано с территориальной принадлежностью систем и расположением сети базовых станций WAAS, определяющих точность моделирования поправок. Считается, что каждая станция эффективно «покрывает» окружающую территорию радиусом 400-500 км. Время передачи данных с базовых станций на геостационарные спутники WAAS составляет несколько секунд. В рабочем режиме, обновление данных связанных с ошибками часов и эфемерид осуществляется с периодом 2 минуты. Данные ионосферные задержек обновляются несколько реже, потому что изменяются во времени значительно медленнее. Для вычисления значение ионосферной ошибки в текущем местоположении GPS приемник использует данные 4-х соседних «узловых» точек. Если текущее местоположение находится в непосредственной близости от «узловой» точки, то дополнительные вычисление могут не понадобится.

Вторая немаловажная роль систем SBAS заключается в контроле целостности и работоспособности GPS спутников. Если по каким то причинам, GPS спутник стал передавать неправильную информацию, либо ошибки навигационных измерений превышают допустимые значения, то ему должен быть присвоен статус «больной», чтобы исключить из алгоритмов вычисления позиции. Все GPS приемники используют информации о «здоровье» спутников из специальных полей альманаха и эфемерид, данные которых корректируются с управляющих наземных GPS станций раз в несколько часов. Соответственно, наземный сегмент системы GPS не может оперативно отреагировать на проблемы в работы спутников, и донести эту информацию до пользователей. Вспомогательная система WAAS может передать эти данные в течении нескольких минут. Навигационные приемники идентифицирую геостационарные спутники WAAS по номерам, значение которых больше 32. Номера с 1 по 32 строго закреплены за спутниками GPS и привязаны к псевдошумовому коду (PRN).

...