МУ по проведению ПЗ по курсу АП СРНС - Вводное занятие

Цель занятия

• Напомнить основные термины
• Напомнить состав, назначение и характеристики СРНС
• Описать базовую структуру НАП
• Изучить модель входного сигнала НАП и рассчитать основные её параметры

Требуемое оборудование

• Проектор
• Учебная доска

Медиа

Занятие проводится на основе презентации.

Спутниковая радионавигационная система

Существует ряд понятий, близких по смыслу - спутниковая радионавигационная система (СРНС), глобальная навигационная спутниковая система (ГНСС), спутниковая навигационная система (СНС), спутниковая среднеорбитальная навигационная система (ССНС), глобальная система позиционирования (ГПС) и т.д. Как правило этими понятиями различные авторы обозначают один и тот же класс существующих и проектируемых систем - NAVSTAR GPS, ГЛОНАСС, Galileo, COMPASS и т.п.

Различаются эти понятия подчеркиванием деталей:

1) Навигация/позиционирование

Позиционирование подразумевает определение положения объекта в пространстве относительно других объектов (системы координат). Навигация - организацию маршрутизации по результатам позиционированию, т.е. выдачу управляющих сигналов, позволяющих объекту достичь заданной точки маршрута. Это различие в используемых терминах скорее историческое - в отечественной литературе чаще используют "навигационная", в иностранной - "позиционирования".

2) Спутниковая

Кроме спутниковых систем существуют системы позиционирования, использующие сигналы наземных станций, удаленных пульсаров, летательных аппаратов и т.д.

3) Среднеорбитальная

Высота орбит спутников систем NAVSTAR GPS и ГЛОНАСС около 20 000 км, что относят к орбитам средней высоты. В системах-предшественницах использовались спутники, расположенные на низких орбитах - около 1000 км.

4) Глобальная

Современные системы предоставляют сервис на всей поверхности земного шара. В противоположность локальным системам позиционирования, например по сигналам базовых станций сотовой связи.

Остановимся на термине:

Спутниковая радионавигационная система (СРНС) - система, предоставляющая потребителю сервис координатно-временного обеспечения: оценки его координат, а так же скорости, времени и угловой ориентации посредством сигналов спутниковой группировки.

Области применения СРНС:

• Вооруженные силы
• Синхронизация систем связи и энергетики
• Геодезия: с помощью приемников ГЛОНАСС и ГЛОНАСС\GPS определяют точные координаты точек и границы земельных участков
• Картография: ГЛОНАСС используется в гражданской и военной картографии
• Тектоника: с помощью спутников ведутся наблюдения движений и колебаний тектонических плит
• Навигация: с применением глобальных систем позиционирования осуществляется как морская так и дорожная навигация
• Спутниковый мониторинг: проект ЭРА-ГЛОНАСС — мониторинг положения, скорости автомобилей, контроль за их движением
• Мониторинг сложных инженерных сооружений
• Мониторинг животных, защита окружающей среды
• Обеспечения поиска и спасания людей
• Персональные трекеры, «тревожная кнопка»

Сервис обеспечивают три сегмента СРНС: наземный сегмент, космический сегмент и сегмент АП.

Подсистема космических аппаратов (космический сегмент)

Подсистема космических аппаратов состоит из определенного числа навигационных спутников (НС). В различных системах число спутников варьируется, но необходимое и достаточное для глобального покрытия количество спутников определяется параметром орбит.

Более строгий расчет с учетом конечного числа орбитальных плоскостей и движения спутников показывает, что достаточно 24 спутников для систем ГЛОНАСС и NAVSTAR GPS.

Основные функции НС - формирование и излучение радиосигналов, необходимых для координатно-временного обеспечения потребителей, контроля бортовых систем спутника подсистемой контроля и управления СРНС.

Состав и структура спутника сложны и многогранны. В нашем курсе важно наличие следующих компонент:

• радиотехническое оборудование (передатчики навигационных сигналов и телеметрической информации, БАМИ, приемники данных и команд от подсистемы контроля и управления, антенны, блоки ориентации);
• бортовой эталон времени и частоты.

Эволюция спутников системы GPS

Информация в презентации

Эволюция спутников системы ГЛОНАСС

Информация в презентации

Ураган

По данным BBC, 423 из общего количества действующих 957 спутников на орбите принадлежат США. За всю историю человечества было запущено порядка 6000 спутников, из которых на нашу страну приходится около 1500-2000. Спутников же Ураган (ГЛОНАСС первой модификации) отправили в космос - 81.

Информация в презентации

Ураган-М

Информация в презентации

Ураган-К

Информация в презентации

Подсистема контроля и управления

Состав и расположение.

Функции - закладка информации на спутники, измерение параметров орбит, формирование дифференциальных поправок и т.д.

Перспективы развития ПКА и ПКУ ГЛОНАСС

С 2011 началась эксплуатация «Глонасс-К» с новыми CDMA сигналами в формате GPS/Galileo/Compass, которые значительно облегчат разработку мультисистемных навигационных приборов.

В 2011 году завершилась модернизация наземного комплекса управления. Результатом программы модернизации спутников и наземных комплексов должно стать увеличение точности навигационных определений системы ГЛОНАСС в 2-2,5 раза, что составит порядка 2,8 м для гражданских потребителей.

В 2013—2014 намечен запуск усовершенствованного спутника «Глонасс-К2», доработанного по результатам испытаний КА «Глонасс-К1». В дополнение к открытому сигналу в диапазоне L3, появятся два шифрованных сигнала в диапазонах частот L1, L2 и L3 и открытый сигнал в диапазоне L1.

В 2015—2017 годах появится усовершенствованный спутник «Глонасс-КМ». Предположительно, в новых спутниках будет использоваться до 8 сигналов в формате CDMA, которые заменят сигналы FDMA. После полного перехода на CDMA сигналы, предполагается постепенное увеличение количества КА в группировке с 24 до 30 и полное отключение FDMA сигналов.

НАП

Объект курса - навигационная аппаратура потребителей (НАП).

Под навигационной аппаратурой потребителей СРНС (НАП, навигационный приемник) понимают совокупность радиотехнических артефактов, предназначенных для определения местоположения, скорости, времени и/или пространственной ориентации их носителя с помощью сигналов спутниковой радионавигационной системы.

НАП входит в состав СРНС как третий сегмент, назначение которого - донесение до потребителей функций СРНС, т.е. координатно-временного обеспечения.

НАП является функцией от сигналов и своего внутреннего состояния, возвращающая время, координаты, скорость и пространственную ориентацию потребителя.

Для выполнения своей целевой функции любой навигационный приемник должен решить ряд задач:

1. Преобразование электромагнитного излучения в электрические токи радиочастотного диапазона с помощью антенны;
2. Перенос навигационных сигналов, принятых антенной, из радиочастотного диапазона (L1, L2) на промежуточную частоту, усиление и частотная селекция;
3. Дискретизация и квантование сигнала промежуточной частоты;
4. Оценка информативных параметров радиосигналов, для чего в современных приемниках производится поиск сигналов, передача на слежение и слежение за навигационными сигналами.
5. Прием цифрового сообщения, передаваемого в радиосигналах;
6. Расчет положения, ориентации, скорости и времени потребителя по накопленной информации, измеренным параметрам радиосигнала, принятому сообщению и информации от дополнительных источников;
7. Взаимодействие с потребителем с помощью того или иного интерфейса: прием команд и выдача координатно-временного обеспечения.

Устройства, решающие задачу 1, называют антенным модулем; задачи 2-3 – радиочастотным блоком (или front-end'ом); задачи 1-2 – радиочастотной частью НАП; задачи 3-7 – устройством цифровой обработки; задачи 2-7 – модулем навигационного приемника.

Антенны НАП, их характеристики и модель выходного сигнала

Для возможности обработки сигналов спутников необходимо произвести преобразование электромагнитного поля, создаваемого спутниками, в напряжение электрической цепи. Данную функцию выполняет антенна, входящая в состав антенного модуля НАП, либо выполненная в едином корпусе с навигационным модулем.

Типы используемых антенн в различных вариантах исполнения представлены на слайдах:

• Керамические патч антенны
• Спиральные антенны
• Высокоточные геодезические антенны
• Антенны типа Choke-Ring

При выносе антенны на значительное расстояние от основного навигационного модуля её заключают в отдельный корпус, объединяя с малошумящим усилителем (МШУ). Вынос МШУ в антенный модуль требуется для предотвращения возрастания коэффициента шума из-за потерь в антенном кабеле.

Помимо антенны и МШУ в антенный модуль входит устройство защиты, предотвращающее выход мощности более заданного уровня и повреждение МШУ мощными помехами.

В качестве модели выходного сигнала антенны, вызванного воздействием одного спутника, можно записать:

$S(t) = A h_{rc}(t-\tau) h_{nd}(t-\tau) cos \left( \omega_0 (t-t_0) + \int_{t_0}^{t} \omega_d (t) dt + \varphi(t_0) \right),$

где

$A = \sqrt{(2P_{}^{})}$ - амплитуда ($P^{}_{}$ - мощность) сигнала на выходе антенны,

$h_{rc}(t)\in\{-1;+1\}$ - функция дальномерного кода (range code) сигнала,

$h_{nd}(t)\in\{-1;+1\}$ - функция навигационного сообщения (navigation data),

$\tau^{}_{}$ - задержка дальномерного кода,

$\omega^{}_0 = 2\pi f_0$ - несущая частота,

$\omega_d^{} (t)$ - сдвига несущей частоты сигнала, вызванный эффектом Доплера,

$\varphi_{}^{}(t_0)$ - фаза на некоторый момент $t^{}_0$.

Рассчитаем область возможных значений мощности сигнала, задержки и доплеровского сдвига частоты.

Таким образом минимальный уровень навигационного сигнала в отсутствии затенения и помех составляет около -160 дБВт. Типичное значение около -155 - -157 дБВт. Амплитуда сигнала - порядка десятков микровольт.

Таким образом, задержка распространения сигнала в десятки раз больше периода дальномерного кода гражданских сигналов ГЛОНАСС и NAVSTAR GPS. Разрешение неоднозначности измерений осуществляется с помощью символов навигационного сообщения.

Типичный диапазон значений доплеровского сдвига частоты составляет $\pm$5 кГц.

Проверить соответствие полученной математической модели сигнала реальности предлагается в лабораторной работе.

Домашнее задание

1. Изучить литературу согласно списку.

2. Построить график спектральной плотности мощности навигационного радиосигнала ГЛОНАСС с литерой частоты $l$ = 3 на выходе приемной антенны, если радиальная скорость сближения спутника и потребителя (приемной антенны) составляет 1500 км/ч.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение СРНС, НАП, КВО, антенного модуля, навигационного модуля.
2. Какова высота орбит спутников ГЛОНАСС, NAVSTAR GPS?
3. Составьте функциональную схему НАП, опишите функции её элементов.
4. Какие типы антенн используются при построении НАП?
5. Запишите математическую модель сигнала на выходе антенны. Укажите диапазон возможных значений параметров.

Литература

1. ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования / Под. ред. Перова А.И., Харисова В.Н.. — изд. 4-е, перераб. и доп.. — М.: Радиотехника, 2010. — 800 с. (подробнее...):

• 1.1-1.4 - Структура СРНС
• 3.8 - Зоны и время видимости навигационных спутников
• 9.1-9.4 - Структура, основные характеристики, этапы развертывания, система координат и шкалы времени ГЛОНАСС
• 10.1.1 - Общие сведения о наземном сегменте ГЛОНАСС
• 11.2.1, 11.2.2 - Характеристики излучаемых навигационных сигналов, включая расчет энергетических характеристик радиолинии.
• 13.1 - Принципы построения аппаратуры потребителей
• 13.2 - Антенна навигационного приемника