Анализ погрешностей спутниковой радионавигационной системы, работающей в дифференциальном режиме
Принцип построения спутниковой радионавигационной системы, описание движения спутников. Глобальная система "НАВСТАР". Структура: космический сегмент, управление и потребители. Принцип дифференциального режима. Погрешности местоопределения и их анализ.
| Рубрика | Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника |
| Вид | дипломная работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 21.11.2010 |
| Размер файла | 1,3 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Введение
Темой работы является анализ погрешностей спутниковой радионавигационной системы (СРНС), работающей в дифференциальном режиме. И включает в себя оценку влияния расположения подвижного пункта в условиях городской застройки, а именно выяснение влияния процессов затенения и отражения навигационных сигналов на основе экспериментальных данных.
СРНС предназначены для всепогодного, пассивного, глобального, высокоточного навигационно-временного обеспечения всевозможных потребителей на поверхности Земли, в приземном и ближайшем космическом пространстве. В моем конкретном случае, использовались два приемника Ashtech SCA-12S, работающие с навигационной системой глобального позиционирования GPS.
Точность СРНС ухудшают ряд факторов, возникающих из-за влияния атмосферных явлений и солнечной радиации на параметры спутниковых сигналов, ухода часов спутников и т.п. Такие ошибки можно значительно уменьшить, применив дифференциальный режим работы с использованием стационарного навигационного приёмника, установленного в точке с заранее определёнными координатами. Такой приёмник называют базовым. С помощью этого приёмника можно вычислять корректирующие значения погрешностей, возникающих в дальномерных спутниковых сигналах.
Возможности аппаратуры в лаборатории спутниковой радионавигации, где и делается эта работа, позволяют принимать сигнал одновременно на две антенны двумя приемниками. То есть для возможны следующие основные варианты получения экспериментальных данных:
- простой прием и усреднение (в течение длительного времени);
- прием и дифференциальное уточнение;
- прием и дифференциальное уточнение с фазовой коррекцией.
Данная работа делается с целью выяснения того, причины каких именно погрешностей вносят наибольший вклад в ухудшение точности определения местоположения в условиях городской застройки.
Состав системы
Система «НАВСТАР» состоит из трех сегментов:
космического сегмента;
сегмента управления (CS - control sеgшеnt);
сегмента потребителей.
Космический сегмент образован орбитальной группировкой, состоящей из 24 основных и 3 резервных навигационных космических аппаратов Block II (далее просто НКА). НКА распределены по шести плоскостям, которые разнесены по долготе на 60?. В каждой плоскости находится четыре, и, возможно, один резервный НКА, которые двигаются по круговым орбитам с наклонением 55? и с полуосью около 26,5 тыс.км. Период обращения НКА составляет 12 часов.
Сегмент управления состоит из:
Основной станции контроля и управления;
Резервной станция контроля и управления;
Четырех наземных антенн слежения;
Шести наземных станций слежения.
Основная станция контроля и управления расположена на авиабазе Шривер, шт. Колорадо. Станции слежения расположены вдоль экватора, что обеспечивает благоприятные условия для наблюдения за НКА.
С помощью наземного сегмента управления осуществляются высокоточные измерения параметров орбит НКА, которые собираются и обрабатываются. Результатом обработки является информация об орбите, частотно временные поправки, ионосферные поправки. Полученная информация передается на борт НКА для последующей ретрансляции потребителю. Частота обновления ретрансляционной информации приблизительно раз в два часа.
Сегмент пользователей «НАВСТАР» составляют приемники GPS и сообщество пользователей системы. Приемники GPS преобразовывают сигналы спутников в оценки местоположения, скорости и времени. Приемники GPS используются для навигации, позиционирования, коррекции времени и других целей.
Основная задача системы «НАВСТАР» - навигация в трехмерном пространстве. Существуют навигационные приемники для летательных аппаратов, кораблей, сухопутных транспортных средств и для индивидуального использования.
Передаваемые каждым НКА системы «НАВСТАР» в составе оперативной информации эфемериды описывают положение фазового центра передающей антенны данного НКА в связанной с Землей геоцентрической системе координат WGS-84, определяемой следующим образом:
начало координат расположено в центре масс Земли;
ОСЬ Z направлена на Условный полюс Земли, как определено в рекомендации Международной службы вращения Земли (IERS);
ОСЬ Х направлена в точку пересечения плоскости экватора и нулевого меридиана, определенного Международным бюро времени (BIH);
ОСЬ Y дополняет геоцентрическую прямоугольную систему координат до правой.
Геодезические координаты точки в системе координат WGS-84 относятся к эллипсоиду, значения большой полуоси и полярного сжатия которого даны в таблице 1.5.
Геодезическая широта В точки М определяется как угол между нормалью к поверхности эллипсоида и плоскостью экватора.
Геодезическая долгота L точки М определяется как угол между плоскостью нулевого меридиана и плоскостью меридиана, проходящего через точку М. Положительное направление счета долгот - от нулевого меридиана к востоку.
Геодезическая высота Н определяется как расстояние по нормали от поверхности эллипсоида до точки М.
Фундаментальные геодезические константы и основные параметры общеземного эллипсоида, принятые в системе координат WGS-84 приведены в таблице 1.1.
Таблица 1.1 - Геодезические константы и параметры общеземного эллипсоида WGS-84
|
Угловая скорость вращения Земли |
7.292115*10-5 радиан/с |
|
|
Геоцентрическая константа гравитационного поля Земли с учетом атмосферы |
398 600.5 км3/с2 |
|
|
Большая полуось эллипсоида |
6 378 137 м |
|
|
Коэффициент сжатия эллипсоида |
1/298.257 223 563 |
|
|
Нормированный уровень коэффициента второй зональной гармоники потенциала (C20) |
-484. 16685*10-6 |
1. Спутниковые радионавигационные системы
1.1 Принцип построения
Успехи ракетной техники, приведшие к созданию мощных носителей, способных обеспечить вывод на орбиты вокруг Земли искусственных спутников Земли (ИСЗ), привели к идее использовать их для целей навигации кораблей. Суть идеи заключается в следующем: если источник радиоизлучения (т.е. радиомаяк) поместить на ИСЗ и знать координаты его в любой момент времени, то навигационную задачу можно решить так же, как и в случае маяков наземного базирования, если обеспечить измерение геометрических величин относительно маяков с привязкой к той же шкале времени [3].
Для реализации идеи необходимо было решить следующие проблемы:
обеспечить определение текущих координат и получение эфемерид ИСЗ, которые позволяют рассчитывать координаты в любой момент времени вперед;
обеспечить доведение координат ИСЗ (эфемерид) до каждого потенциального потребителя навигационной информации;
обеспечить доведение до всех потребителей шкалы единого времени и синхронизацию работы всех включенных в систему ИСЗ.
Прежде чем рассмотреть варианты решения перечисленных проблем, остановимся на некоторых положениях космической баллистики для оценки характеристик траекторий движения ИСЗ.
Для длительного существования ИСЗ как небесного тела ему необходимо придать скорость, превышающую так называемую первую космическую скорость. Эта скорость равна, примерно, 7.8 км/с (при малых высотах спутника) и обеспечивает движение по круговой орбите; при увеличении скорости орбита становится эллиптической, причем эксцентриситет эллипса растет с ростом скорости. Величина первой космической скорости уменьшается при возрастании высоты ИСЗ над земной поверхностью, что приводит к увеличению времени обращения спутника вокруг Земли. Для круговой орбиты высотой Н период обращения Т характеризуется следующими выборочными значениями:
Н = 250 км, Т = 89 мин; H = 1000 км, Т = 96 мин;
Н = 20240 км, Т = 12 час; Н = 35870 км, Т = 24 час.
1.2 Описание движения спутников
Координаты и составляющие вектора скорости спутников меняются очень быстро. Поэтому сообщения о параметрах движения спутников содержат сведения не об их координатах, а информацию о параметрах некоторой модели, аппроксимирующей траекторию движения ИСЗ на достаточно большом интервале времени (примерно 1 час). Параметры аппроксимирующей модели меняются достаточно медленно, и их можно считать постоянными на интервале аппроксимации. Состав параметров аппроксимирующей модели определяет и состав навигационных сообщений спутников. Поэтому модель движения, принимаемая в системе для расчета траекторий движения ИСЗ, является одним из основных понятий, необходимых для изложения принципов ее функционирования [3].
Самой простой моделью движения ИСЗ является кеплеровская модель. В этой модели учитывается единственная сила притяжения, образуемая центральным полем тяготения Земли. Движение ИСЗ, задаваемое кеплеровской моделью, происходит в фиксированной плоскости. Текущие полярные координаты ИСЗ в этой плоскости R(t) и связаны между собой и с параметрами кеплеровской траектории р и е следующим образом:
(1.1)
где R(t) - расстояние;
- фокальный параметр;
е - эксцентриситет;
- угол, называемый истинная аномалия.
Текущие координаты R(t) и образуют вектор называемый радиус-вектор ИСЗ.
Для определения положения ИСЗ в каждый момент времени необходимо найти связь между истинной аномалией и временем t. В кеплеровской модели такая связь задается уравнением Кеплера, которое для эллиптической орбиты имеет вид:
(1.2)
где - момент времени прохождения ИСЗ через перигей орбиты;
- большая полуось эллипса;
- гравитационный параметр Земли;
- эксцентрическая аномалия (промежуточная величина, тоже угол).
Решив последнее уравнение относительно для заданного момента времени , значение находится по формуле:
(1.3)
Если элементы , , дополнить величинами, характеризующими положение плоской орбиты относительно неподвижной геоцентрической системы координат Oxyz, то такая совокупность величин будет полностью определять кеплеровское движение ИСЗ.
В качестве параметров кеплеровской орбиты (кеплеровских элементов орбиты) наиболее часто используется следующая совокупностьвеличин (см. рисунок 1.1):
Рисунок 1.1 - Орбита спутника Земли и ее элементы
наклонение плоскости орбиты относительно плоскости экватора - i;
прямое восхождение (или долгота) восходящего узла орбиты - Щ;
угловое расстояние перигея орбиты от восходящего узла (аргумент перигея) х;
эксцентриситет орбиты - с;
большая полуось эллипса - а
время прохождения спутника через перигей орбиты - tп
Еще раз отметим, что указанная шестимерная совокупность параметров орбиты позволяет рассчитать координаты ИСЗ в любой момент времени в геоцентрической экваториальной системе координат Oxyz или любой другой, связанной с ней аналитическими зависимостями. В свою очередь, элементы орбиты рассчитываются по измененной шестимерной характеристике движения ИСЗ по орбите в определенный момент времени. Такой характеристикой могут быть три координаты и три проекции вектора скорости. Измерение характеристик движения, расчет элементов орбиты и передачу последних на борт навигационных ИСЗ для ретрансляции потребителям осуществляет система орбитальных измерении, состоящая из сети измерительных пунктов и координационно-вычислительного центра.
1.3 Навигационные определения
В СРНС второго поколения применяется дальномерно-доплеровский метод. В среднеорбитальных дальномерно-доплеровских СРНС определяются местоположение, величина и направление вектора скорости потребителя в любой момент времени и в любой точке на поверхности Земли и околоземного пространства. Для этого в системе обеспечивается одновременная связь потребителя не менее чем с четырьмя спутниками. Все спутники ведут синхронное излучение дальномерных сигналов (ошибки синхронизации малы и не превышают 10-20 нс). В аппаратуре потребителя измеряется задержка спутникового сигнала относительно меток времени местной шкалы, вырабатываемых в аппаратуре потребителя. Эта задержка складывается из задержки сигналов при распространении в пространстве и разницы хода часов на спутниках и аппаратуре потребителя. Произведение этой суммарной задержки на скорость распространения сигнала принятого называть псевдодальностью.
Обозначим координаты потребителя на момент приема через , а координаты j-го спутника на момент времени, предшествующий моменту приема на время распространения, - через . Тогда можно составить следующую систему нелинейных уравнений:
(1.4)
где - разница хода часов потребителя и спутникового времени;
- значение задержки спутникового сигнала относительно меток времени шкалы потребителя.
Если число спутников не менее четырех, то вышеуказанная система может быть разрешена относительно четырех неизвестных и .
Таким образом, помимо координат одновременно определяется . Необходимые для решения уравнения координаты спутников извлекаются из навигационных данных.
Предыдущее выражение можно переписать следующим образом:
(1.5)
где
- измеренное значение дальности или псевдодальность;
Шкала времени спутника, и частота его несущего колебания задаются от одного и того же бортового генератора. Аналогично шкала времени приемника потребителя, и частота его гетеродина также задаются от эталона частоты приемника. Такое единство порождает связь расхождения шкал времени с расхождением частот:
(1.6)
где - частота гетеродина приемника потребителя, рассматриваемая как функция времени в связи с относительно не высокой стабильностью эталона частоты приемника потребителя;
- частота несущего колебания спутника - полагается постоянной, поскольку формируется от гораздо более стабильного бортового генератора. Относительная стабильность бортовых генераторов СРНС составляет величину порядка ;
- начальная расстройка шкал времени.
Если продифференцировать выражение для расстояний по времени, то получим:
(1.7)
умножив левую и правую части последнего равенства на где - длина волны несущей j-го спутника:
(1.8)
Для члена получаем:
(1.9)
В предположении, что номинальное значение частоты гетеродина приемника потребителя величина есть смещение частоты гетеродина относительно своего номинального значения.
С учетом (1.11) из (1.10) получаем:
(1.10)
где -измеренное значение доплеровского смещения частоты в аппаратуре потребителя.
Дифференцируя в (1.10) по времени, получаем систему уравнений относительно четырех неизвестных и :
необходимые решения этой системы значения находятся в результате обработки измерений псевдодальностей. Значения извлекаются из эфемеридных данных, сообщаемых спутниками. Таким образом, по мимо составляющих вектора скорости потребителя одновременно определяется [3].
2. СРНС «НАВСТАР»
Глобальная спутниковая система «НАВСТАР» предназначена для высокоточного определения пространственно-временных координат и составляющих скорости объектов-потребителей. Система разработана по заказу и находится под управлением МО (ВВС) США [5].
Система предоставляет два вида обслуживания [6]:
1. Standard Positioning Service (SPS) - стандартное обслуживание по определению местоположения, предназначенное для гражданских пользователей;
2. Precise Positioning Service (PPS) - точное обслуживание по определению местоположения, предназначенное для военных и авторизованных пользователей, имеет более высокую точность по сравнению с SPS.
Гражданские пользователи во всем мире используют SPS без ограничений. Большинство приемников может принимать сигнал SPS. Точность такой системы преднамеренно понижена до следующих значений:
· горизонталь 100 метров;
· вертикаль 156 метров;
· время 340 наносекунд.
Стандартное обслуживание по определению местоположения предоставляется с использованием сигнала «НАВСТАР» L1. Сигнал Ll передается всеми спутниками, входящими в состав группировки и содержит так называемый грубый код (С/А) и данные навигационного сообщения. Сигнал L1 также содержит точный код (P), который зарезервирован для военного использования и не является частью SPS.
Спутники «НАВСТАР» также передают сигнал L2, который не является частью SPS.
Авторизованные пользователи с криптографическим оборудованием, ключами и специально оборудованными приемниками используют PPS. К ним относятся американская армия, некоторые американские правительственные агентства и некоторые гражданские пользователи. Точность этой системы:
горизонталь 22 метра;
вертикаль 27.7 метров;
время 100 наносекунд.
Здесь приведены показатели точности «НАВСТАР» из Федерального плана радионавигации 1994 года. Приведенные показатели имеют точность 95% и выражают значение двух среднеквадратичных отклонений. Для горизонтальных рисунков (цифр, показателей) 95% точность - эквивалент 2 drms (two distance rооt-mеаn-squаrеd), или два радиальных среднеквадратичных отклонения. Для вертикали и времени 95% точность - значение двух стандартных отклонений ошибки по высоте или ошибки по времени.
Изготовитель приемника может использовать другие меры точности. Среднеквадратичная (Root mеаn square - RМS) ошибка - значение одного среднеквадратичного отклонения (68%). Вероятная круговая ошибка (Circular Erоr Probable - СЕР) - значение радиуса круга, центрированного при фактическом положении, который содержит 50% оценок положения. Вероятная сферическая ошибка (Spherical Erоr Probable - SEP) - сферический эквивалент вероятной круговой ошибки, который является радиусом сферы, центрированной при фактическом положении, которая содержит 50% из трех оценок положения. В противоположность 2 drms, drms или RМS; СЕР и SEP не подвержены воздействию больших грубых ошибок. В спецификациях некоторых приемников горизонтальная точность указывается в RМS или СЕР без учета SA, делая эти приемники "более точными" чем те, в которых используются более консервативные меры ошибки.
2.1 Структура системы
Система «НАВСТАР» состоит из трех сегментов:
космического сегмента;
сегмента управления (CS - control sеgшеnt);
сегмента потребителей.
Космический сегмент образован орбитальной группировкой, состоящей из 24 основных и 3 резервных навигационных космических аппаратов Block II (далее просто НКА). НКА распределены по шести плоскостям, которые разнесены по долготе на 60?. В каждой плоскости находится четыре, и, возможно, один резервный НКА, которые двигаются по круговым орбитам с наклонением 55? и с полуосью около 26,5 тыс.км. Период обращения НКА составляет 12 часов.
Сегмент управления состоит из:
Основной станции контроля и управления;
Резервной станция контроля и управления;
Четырех наземных антенн слежения;
Шести наземных станций слежения.
Основная станция контроля и управления расположена на авиабазе Шривер, шт. Колорадо. Станции слежения расположены вдоль экватора, что обеспечивает благоприятные условия для наблюдения за НКА.
С помощью наземного сегмента управления осуществляются высокоточные измерения параметров орбит НКА, которые собираются и обрабатываются. Результатом обработки является информация об орбите, частотно временные поправки, ионосферные поправки. Полученная информация передается на борт НКА для последующей ретрансляции потребителю. Частота обновления ретрансляционной информации приблизительно раз в два часа.
Сегмент пользователей «НАВСТАР» составляют приемники GPS и сообщество пользователей системы. Приемники GPS преобразовывают сигналы спутников в оценки местоположения, скорости и времени. Приемники GPS используются для навигации, позиционирования, коррекции времени и других целей.
Основная задача системы «НАВСТАР» - навигация в трехмерном пространстве. Существуют навигационные приемники для летательных аппаратов, кораблей, сухопутных транспортных средств и для индивидуального использования.
2.2 Навигационный радиосигнал
В системе «НАВСТАР» используется кодовое разделение сигналов (CDМA), все спутники излучают сигналы с одинаковой частотой. Каждый спутник системы «НАВСТАР» излучает два фазоманипулированных сигнала. Частота первого сигнала составляет , а второго . Сигнал несущей частоты , модулируется двумя двоичными последовательностями, каждая из которых образована путём суммирования по модулю 2 дальномерного кода и передаваемых системных и навигационных данных (сигнал с частотой 50 Гц, состоящий из информационных разрядов, которые описывают орбиты спутников системы «НАВСТАР», синхронизируют коррекцию и другие параметры системы), формируемых со скоростью 50 бит/с. На частоте передаются две квадратурные компоненты, бифазно манипулированные двоичными последовательностями. Первая последовательность является суммой по модулю 2 точного дальномерного кода Р (precise) или засекреченного кода Y и навигационных данных. Вторая последовательность также является суммой по модулю 2 грубого С/А (открытого) кода и той же последовательности навигационных данных.
Радиосигнал на частоте 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/А и Р(Y), что и позволяет разделять спутниковые сигналы. В процессе формирования точного дальномерного Р(Y) кода одновременно формируются метки времени спутникового сигнала.
Кроме описанных дальномерных кодов Р, Y, C/A в системе «НАВСТАР» предусмотрены нестандартные коды С/А (NSC) и Y(NSY), которые формируются при появлении неисправностей в бортовой аппаратуре какого-либо НИСЗ. Нестандартные коды отличаются от кодов исправных НИСЗ и не могут быть декодированы потребителем. Применение NSC и NSY в системе обеспечивает защиту потребителей от использования неправильной информации.
Каждый из сигналов, излучаемых на частотах и , представляет собой ФМ несущую, манипуляция которой выполняется навигационным кодом, труднообнаруживаемым для военных и легкообнаруживаемым для гражданских. В первом случае используется сложный псевдошумовой код, обеспечивающий высокую точность местоопределения, скрытность, защиту от искусственных помех. Разделение излучений НИСЗ - кодовое (CDMA), каждый из них излучает свой навигационный код. Разделение сигналов одного и того же НИСЗ, излучаемых на частоте, фазовое (фазовый сдвиг).
Навигационный код образуется из дальномерного кода и кода двоичной служебной информации D (data) путем их сложения по модулю 2. Легкообнаруживаемый дальномерный код С/А - код пониженной точности - имеет частоту синхронизации 1,023 МГц и период 1 мс. Высокоточный защищенный дальномерный код Р и излучаемый вместо него код Y (когда требуется препятствовать применению уводящей помехи при работе по сигналу Р) имеют одинаковую частоту синхронизации, равную 10,23 МГц, на порядок более высокую, чем у кода С/А.
2.3 Структура навигационного сообщения
В настоящем разделе описывается смысловое содержание и формат навигационного сообщения, передаваемого НКА «НАВСТАР» в навигационном радиосигнале.
Передаваемое в навигационных радиосигналах НКА «НАВСТАР» навигационное сообщение предназначено для проведения потребителями навигационных определений, привязки к точному времени и для планирования сеансов навигации.
По своему содержанию навигационное сообщение подразделяется на оперативную и неоперативную информацию.
Оперативная информация относится к тому НКА, с борта которого передается данный навигационный радиосигнал и содержит:
оцифровку меток времени НКА;
сдвиг шкалы времени НКА относительно шкалы времени системы «НАВСТАР»;
относительное отличие несущей частоты излучаемого навигационного радиосигнала от номинального значения;
эфемериды НКА и другие параметры.
Неоперативная информация содержит альманах системы, включающий в себя:
данные о состоянии всех НКА системы (альманах состояния);
сдвиг шкалы времени каждого НКА относительно шкалы времени системы «НАВСТАР» (альманах фаз);
параметры орбит всех НКА системы (альманах орбит);
сдвиг шкалы времени системы «НАВСТАР» относительно UTC(SU) и другие параметры. Это значение может использоваться приемником, чтобы установить UTC с точностью в пределах 100 ns.
Основное сообщение, передаваемое с каждого навигационного спутника GPS, формируется в виде кадра. Поток навигационных данных передается со скоростью 50 бит/сек. Длительность информационного символа «0» или «1» равна 20 мсек.
Кадр состоит из пяти подкадров. Подкадры с 1 по 3 содержат по 300 информационных символов. Триста информационных символов разделяются на 10 слов по 30 символов в слове.
Подкадры 4 и 5 содержат по 25 страниц. Каждая страница состоит из 300 информационных символов (или разрядов), которые также разделены на 10 слов по 30 символов в слове.
Таким образом, сформированных кадр всегда содержит 1, 2, 3 подкадры, одну страницу из подкадра 4 и одну страницу из подкадра 5.
Поскольку каждая строка или страница имеет объем 300 символов, длительность символа 20 мсек, то время передачи кадра из пяти подкадров составляет 30 сек, время передачи строки (страницы)- 6 сек, время передачи всего со общения (25 кадров) - 12.5 мин. Период повторения подкадров 1-3 составляет 30 сек, периоды повторения страниц из подкадров 4 и 5 большее время, что обусловлено значимостью передаваемой информации. Формат сообщений подкадров 1-3 и строк (страниц) подкадров 4, 5 изображен на рисунке 2.1.
|
Всего 300 бит (старшие разряды слева, младшие справа) |
||||||||||||||||||||
|
Слово 1 |
Слово 2 |
Слово 3 |
Слово 4 |
Слово 5 |
Слово 6 |
Слово 7 |
Слово 8 |
Слово 9 |
Слово 10 |
|||||||||||
|
TLM |
P |
HOW |
P |
P |
P |
P |
P |
P |
P |
P |
P |
|||||||||
|
1-24 |
6 |
1-24 |
6 |
1-24 |
6 |
1-24 |
6 |
1-24 |
6 |
1-24 |
6 |
1-24 |
6 |
1-24 |
6 |
1-24 |
6 |
1-24 |
6 |
|
|
Разряды |
Разряды |
Разряды |
Разряды |
Разряды |
Разряды |
Разряды |
Разряды |
Разряды |
Разряды |
Рисунок 2.1 - Формат сообщений подкадров
Расположение информации, передаваемой с навигационного спутника системы «НАВСТАР» приведено на рисунке 2.2.
|
Содержание кадра |
Содержание подкадра |
|||
|
Подкадр 1 |
Слово TLM |
Слово HOW |
Номер недели GPS, точность, состояние и параметры коррекции времени спутника |
|
|
Подкадр 2 |
Слово TLM |
Слово HOW |
Информация об эфемеридах спутника |
|
|
Подкадр 3 |
Слово TLM |
Слово HOW |
Информация об эфемеридах спутника |
|
|
Подкадр 4 (25 страниц) |
Слово TLM |
Слово HOW |
Альманах и состояние спутников с номерами 25-32, конфигурация спутников, признаки, данные ионосферы и всемирной шкалы времени (UTC), специальные сообщения, резервные разряды |
|
|
Подкадр 5 (25 страниц) |
Слово TLM |
Слово HOW |
Альманах и состояние спутников с номерами 1-2, опорное время, номер недели альманаха, резервные разряды |
Рисунок 2.2 - Расположение информации, передаваемой с навигационного спутника системы «НАВСТАР»
В формате (см. рисунок 2.1) после каждого слова имеется 6 проверочных битов, занимающих разряды 25-30 каждого слова. Информация передается старшими разрядами вперед.
Слово. Каждое слово строки (страницы) подкадров 1-5 содержит 30 символов (разрядов). Шесть младших разрядов каждого слова имеют проверочные символы для контроля и проверки правильности передаваемой информации.
Строка (страница). Каждая строка (страница) подкадров 1-5 начинается со слов TLM (первое слово), HOW (второе слово).
Первое слово телеметрии (TLM) включает преамбулу (8 старших разрядов), телеметрическое сообщение для санкционированных потребителей, два резервных разряда и 6 младших разрядов для проверочных символов.
Второе слово передачи (ключ, HOW) содержит 19 младших разрядов 29-разрядного Z-отсчета, три разряда (20, 21, 22) для идентификатора (ID) подкадра, два разряда (23, 24) резервных и 6 разрядов проверочных символов.
Идентификатор (ID) для подкадров 1, 2, 3, 4, 5 принимает соответственно значения: 001, 010, 011, 100, 101.
Z - отсчет. Каждый навигационный спутник формирует 1.5 - секундную эпоху (момент времени) для точного отсчета и привязки времени. Отсчет времени, установленный таким образом, называется Z - отсчетом.
Z - отсчет предоставляется потребителю в виде 29-разрядного двоичного числа. Десять старших разрядов (MSB) Z - отсчета являются двоичным представлением последовательного номера текущей недели. Отсчет недель лежит в пределах от 0 до 1023. Нулевое состояние соответствует той неделе, которая начинается с 1.5 - секундной эпохи в нулевой (приблизительно) временной точке всемирного времени (UTC). По окончании GPS - недели с номером 1023 номер недели сбрасывается в ноль. При этом потребитель при переходе от системного времени GPS к календарной дате предыдущие 1024 недели учитывает (прибавляет).
Неделя - это самая большая единица измерения времени в системе «НАВСТАР». Неделя определена как 604800 секунд. Т.е. неделя = 7 суток * 24часа * 60минут * 60 секунд = 604800секунд.
Нулевой отсчет времени GPS определен в полночь с 5 на 6 января 1980 года.
Девятнадцать следующих разрядов Z - отсчета, расположенных в слове 2 (HOW), определяются как количество 1.5 - секундных интервалов отсчитанных от момента перехода «конец/начало» любой недели. Отсчет лежит в пределах от О до 403199. Число 403199 есть количество 1.5 - секундных интервалов в неделе (в 604800 секундах).
В таблице 1.6 на конкретных данных приводится объяснение Z-счета.
В течение недели передаваемая в 17 старших разрядах слова 2 информация в десятичном эквиваленте изменяется в диапазоне от 0 до 100799 с шагом 1, что соответствует 6 секундам Т.е. продолжительности передачи информации 1 подкадра. Можно отметить, что за неделю каждый навигационный спутник транслирует потребителям 100800 подкадров (строк).
Начало каждого подкадра соответствует отсчету, указанному в 17 старших разрядах слова 2 переданных в предыдущем подкадре.
Таблица 2.1 - Объяснение Z-счета
|
Десятичный эквивалент Z-счета 1 шаг = 1.5 сек |
19 двоичных разрядов Z-счета (курсивом выделены 17 совпадающих старших разрядов) |
17 старших двоичных разрядов Z-счета (передаются в подкадре I-1) |
Десятичный эквивалент 17 старших разрядов Z-счета 1 шаг = 6 сек |
Подкадр |
|
|
403160 |
1100010011011011000 |
11000100110110110 |
100790 |
I |
|
|
403161 |
1100010011011011001 |
||||
|
403162 |
1100010011011011010 |
||||
|
403163 |
1100010011011011011 |
||||
|
403164 |
1100010011011011100 |
11000100110110111 |
100791 |
I+1 |
|
|
403165 |
1100010011011011101 |
||||
|
403166 |
1100010011011011110 |
||||
|
403167 |
1100010011011011111 |
||||
|
403168 |
1100010011011100000 |
11000100110111000 |
100792 |
I+2 |
|
|
403169 |
1100010011011100001 |
||||
|
403170 |
1100010011011100010 |
||||
|
4031971 |
1100010011011100011 |
||||
|
403172 |
1100010011011100100 |
11000100110111001 |
100793 |
I+3 |
|
|
403173 |
1100010011011100101 |
||||
|
403174 |
1100010011011100110 |
||||
|
403175 |
1100010011011100111 |
Содержание и расположение данных подкадра 1 приведено в таблице 2.2.
Таблица 2.2 - Информация подкадра 1
|
№ |
Расположение информации: слово, разряды |
Символьное обозначение |
Содержание информации |
|
|
1 |
Слово 3 Разряды 1-10 |
WH |
Номер текущей недели GPS в начале передачи данных. Десять старших разрядов 29-ти разрядного Z-счета |
|
|
2 |
Слово 3 Разряды 11-12 |
C/A или P на L2 |
Включение C/A или P кода для частоты L2 |
|
|
3 |
Слово 3 Разряды 13-16 |
URA |
Точность измерения дальности потребителем (15 градаций от 2 метров до 4096 метров, плюс 16 градация - «не использовать») |
|
|
4 |
Слово 3 Разряды 17-22 |
SV HEALTH |
Состояние спутника: старший разряд «0» - вся навигационная информация в норме; старший разряд «1» - часть навигационной информации не достоверна |
|
|
5 |
Слово 3 Разряды 23-24 Слово 8 Разряды 1-8 |
IODC |
Идентификатор набора параметров времени. Значения передаваемого IODC отличается от любого другого значения IODC, передаваемого в течении предыдущих 7 дней. 8 младших разрядов IODC соответствуют 8 разрядам IODE подкадров 2 и 3 |
|
|
6 |
Слово 4 Разряды 1 |
L2 P |
Признак данных для P-кода на частоте L2 |
|
|
7 |
Слово 7 Разряды 17-24 |
TGD |
Поправка для учета группового времени задерживания |
|
|
8 |
Слово 8 Разряды 9-24 |
toc |
Параметры коррекции бортовой шкалы времени |
|
|
9 |
Слово 9 Разряды 1-8 |
at2 |
||
|
10 |
Слово 9 Разряды 9-24 |
at1 |
||
|
11 |
Слово 10 Разряды 1-22 |
at0 |
Общая точность потребителя (URA) - статистический индикатор всего диапазона точностей, относящихся к специфике навигационного спутника. URA - это целое число от О до 15, при URA = 15 прогноз по точности отсутствует и потребителю предлагается использовать данные на собственный риск. Еще одно определение URA - прогнозируемая точность определения дальности потребителем до навигационного спутника. Точностные параметры аппаратуры потребителя URA не учитываются.
Содержание и расположение эфемеридной информации GPS приведено в таблице 2.3.
Таблица 2.3 - Эфемеридная информация GPS
|
№ |
Расположение информации: слово, разряды |
Символьное обозначение |
Содержание информации |
|
|
Подкадр 2 |
||||
|
1 |
Слово 3 Разряды 1-8 |
IODC |
Идентификатор набора данных эфемерид. Используется для идентификации подкадров 2 и 3 при обновлении содержащейся в них информации. Критерий обновления - несовпадения 8 младших разрядов IODC в подкадре 1 с IODC подкадров 2 и 3 |
|
|
2 |
Слово 3 Разряды 9-24 |
Crs |
Амплитуда синусной гармонической поправки к радиусу орбиты спутника |
|
|
3 |
Слово 4 Разряды 1-16 |
Отличие среднего движения от расчетного |
||
|
4 |
Слово 4 Разряды 17-24 Слово 5 Разряды 1-24 |
M0 |
Средняя аномалия на время привязки |
|
|
5 |
Слово 6 Разряды 1-16 |
Cuc |
Амплитуда косинусной гармонической поправки к аргументу широты |
|
|
6 |
Слово 6 Разряды 17-24 Слово 7 Разряды 1-24 |
E |
Эксцентриситет |
|
|
7 |
Слово 8 Разряды 1-16 |
Cus |
Амплитуда синусной гармонической поправки к аргументу широты |
|
|
8 |
Слово 8 Разряды 17-24 Слово 9 Разряды 1-24 |
Корень квадратный из большой полуоси орбиты |
||
|
9 |
Слово 10 Разряды 1-16 |
toe |
Опорное время привязки передаваемых эфемерид |
|
|
10 |
Слово 10 Разряды 17-22 |
AODO |
Не эфемеридный параметр, характеризующий изменение срока службы данных |
|
|
Подкадр 3 |
||||
|
11 |
Слово 3 Разряды 1-16 |
Cic |
Амплитуда косинусной гармонической поправки к углу наклонения |
|
|
12 |
Слово 3 Разряды 17-24 Слово 4 Разряды 1-24 |
Щ0 OMEGA 0 |
Долгота восходящего угла орбитальной плоскости на недельную эпоху |
|
|
13 |
Слово 5 Разряды 1-16 |
Cis |
Амплитуда синусной гармонической поправки к углу наклонения |
|
|
14 |
Слово 5 Разряды 17-24 Слово 6 Разряды 1-24 |
i0 |
Угол наклонения орбиты спутника наклонение орбиты спутника |
|
|
15 |
Слово 7 Разряды 1-16 |
Crc |
Амплитуда косинусной гармонической поправки к радиусу орбиты спутника |
|
|
16 |
Слово 7 Разряды 17-24 Слово 8 Разряды 1-24 |
Щ |
Аргумент перигея |
|
|
17 |
Слово 9 Разряды 1-24 |
Щ OMEGADOT |
Скорость изменения прямого восхождения |
|
|
18 |
Слово 10 Разряды 1-8 |
IODE |
Идентификатор набора данных эфемерид. Используется для идентификации подкадров 2 и 3 при обновлении содержащейся в них информации. Критерий обновления - несовпадения 8 младших разрядов IODC в подкадре 1 с IODC подкадров 2 и 3 |
|
|
19 |
Слово 10 Разряды 9-22 |
IDOT |
Скорость изменения угла наклона |
Содержание и расположение информации альманаха GPS приведено в таблице 2.4.
Таблица 2.4 - Информация по альманаху GPS
|
№ |
Расположение информации: слово, разряды |
Символьное обозначение |
Содержание информации |
|
|
Подкадр 4, строки со 2 по5 и с 7 по 10; подкадр 5, строки с 1 по 24 |
||||
|
1 |
Слово 3 Разряды 9-24 |
e |
Эксцентриситет (пониженная точность) |
|
|
2 |
Слово 4 Разряды 1-8 |
toa |
Опорное время привязки альманаха |
|
|
3 |
Слово 4 Разряды 9-24 |
дi |
Отклонение от номинального угла наклонения орбиты спутника. За номинальный угол наклонения принята величина равная i0 = 0.3 полуцикла |
|
|
4 |
Слово 5 Разряды 1-16 |
Щ OMEGADOT |
Скорость изменения прямого восхождения (пониженная точность) |
|
|
5 |
Слово 6 Разряды 1-24 |
Корень квадратный из большой полуоси орбиты спутника (пониженная точность) |
||
|
6 |
Слово 7 Разряды 1-24 |
Щ0 OMEGA 0 |
Долгота восходящего узла орбитальной плоскости на недельную эпоху (пониженная точность) |
|
|
Слово 8 Разряды 1-24 |
щ |
Аргумент перигея (пониженная точность) |
||
|
Слово 9 Разряды 1-24 |
M0 |
Средняя аномалия на время привязки (пониженная точность) |
||
|
Слово 10 Разряды 1-8, 20-22 |
af0 |
Коэффициент (постоянной составляющей) аппроксимации временных параметров альманаха |
||
|
Слово 10 Разряды 9-19 |
af1 |
Коэффициент (первого порядка составляющей) аппроксимации временных параметров альманаха |
||
|
Подкадр 5, строка 25 |
||||
|
Слово 3 Разряды 9-16 |
toa |
Опорное время привязки альманаха в неделе с номером WNa |
||
|
Слово 3 Разряды 17-24 |
WNa |
Полный номер недели, к которой относится опорное время привязки альманаха (toa) |
Содержание и расположение информации для привязки системного времени GPS к UTC приведено в таблице 2.5.
Таблица 2.5 - Информация по параметрам UTC для привязки системного времени GPS к UTC
|
№ |
Расположение информации: слово, разряды |
Символьное обозначение |
Содержание информации |
Цена деления младшего разряда |
Единицы измерений |
|
|
Подкадр 4, строка 18 |
||||||
|
1 |
Слово 6 Разряды 1-24 |
A1 |
Коэффициенты при первом и нулевом членах аппроксимирующего полинома |
2-50 |
Секунда |
|
|
2-30 |
секунда |
|||||
|
2 |
Слово 7 Разряды 1-24 Слово 8 Разряды 1-8 |
A0 |
||||
|
3 |
Слово 9 Разряды 9-16 |
tot |
Опорное время UTC |
212 |
Секунда |
|
|
4 |
Слово 8 Разряды 17-24 |
WNt |
Восемь младших разрядов текущей недели, указанной в подкадре 1 словом 3 |
1 |
Недели |
|
|
5 |
Слово 9 Разряды 1-8 |
ДtLS |
Секундная коррекция |
1 |
Секунда |
|
|
6 |
Слово 9 Разряды 9-16 |
WNLSF |
Восемь младших разрядов недели, на которой планируется или проведена односекундная коррекция времени |
1 |
Недели |
|
|
7 |
Слово 9 Разряды 17-24 |
DN |
День недели WNLSF, в конце которого планируется или проведена односекундная коррекция времени |
1 |
Сутки |
|
|
8 |
Слово 10 Разряды 1-8 |
ДtLSF |
Значение поправки, обусловленная скачками секунд |
1 |
Секунда |
Содержание и расположение информации для ионосферной коррекции GPS приведено в таблице 2.6.
Таблица 2.6 - Информация по параметрам для ионосферной коррекции
|
№ |
Расположение информации: слово, разряды |
Символьное обозначение |
Содержание информации |
Цена деления младшего разряда |
Единицы измерений |
|
|
Подкадр 4, строка 18 |
||||||
|
1 |
Слово 3 Разряды 9-16 |
б0 |
Коэффициенты позволяют потребителю применить модель ионосферы для расчета ионосферной задержки. У всех коэффициентов старший разряд является знаковым (+ или -) |
2-30 |
Секунда/ полуцикл |
|
|
2 |
Слово 3 Разряды 17-24 |
б1 |
2-27 |
Секунда/ полуцикл |
||
|
3 |
Слово 4 Разряды 1-8 |
б 2 |
2-24 |
Секунда/ (полуцикл)2 |
||
|
4 |
Слово 4 Разряды 9-16 |
б 3 |
2-24 |
Секунда/ (полуцикл)3 |
||
|
5 |
Слово 4 Разряды 17-24 |
в 0 |
211 |
Секунда |
||
|
214 |
Секунда/ (полуцикл) |
|||||
|
6 |
Слово 5 Разряды 1-8 |
в 1 |
||||
|
216 |
Секунда/ (полуцикл)2 |
|||||
|
7 |
Слово 5 Разряды 9-16 |
в 2 |
||||
|
216 |
Секунда/ (полуцикл)3 |
|||||
|
8 |
Слово 5 Разряды 17-24 |
в 3 |
2.4 Аппаратура потребителя
К числу потребителей СРНС второго поколения относятся наземные объекты (подвижные и неподвижные), летательные аппараты (высокодинамичные и низкодинамичные) и др. В зависимости от типа потребителя требования к точностным характеристикам, числу измеряемых координат и составляющих скорости, допустимому времени вхождения в синхронизм, массогабаритным показателям и стоимости аппаратуры потребителя колеблются в широких пределах. Для наземных и морских объектов достаточно ограничиться измерением двух координат и двух составляющих скорости. Для летательных аппаратов число измеряемых координат и составляющих скорости возрастает до трех. Поэтому номенклатура модификаций бортовой аппаратуры весьма обширна.
Основными задачами, решаемыми аппаратурой потребителя, являются: выбор рабочего созвездия ИСЗ, поиск и опознавание навигационных сигналов ИСЗ, введение в синхронизм систем слежения по времени запаздывания и фазе несущей частоты дальномерных сигналов, измерение времени запаздывания и доплеровского сдвига частоты, выделение и расшифровка содержания навигационного (информационного) сообщения, расчет координат ИСЗ на момент навигационных измерений, решение навигационной задачи (определение координат и составляющих вектора скорости потребителя, поправок к сдвигу шкал времени и частот), отображение вычисленных данных на информационном табло.
На вход аппаратуры потребителя поступают сигналы от навигационных спутников, находящихся в зоне радиовидимости. Так как для решения навигационной задачи необходимо измерить псевдодальности и псевдоскорости относительно, как минимум, четырех ИСЗ, то АП должна быть многоканальной (от 4 до 12 каналов при работе по одной из систем и более 12 при совмещенной работе по системам ГЛОНАСС и NAVSTAR).
Современные АП являются аналого-цифровыми системами, сочетающими аналоговую и цифровую обработку сигналов. Переход на цифровую обработку осуществляется на одной из промежуточных частот. Основой типового варианта АП являются антенный блок, радиочастотный тракт, коррелятор и вычислительное устройство, представленные на рис. 2.3.
В антенном блоке (АБ) совокупность сигналов от ИСЗ, принятых антенной, усиливается в предварительном усилителе и фильтруется во всей полосе (от 1570 до 1625 МГц в совмещенной АП) несущих частот полосовым фильтром.
В качестве антенны часто используется микрополосковая, что обусловлено ее малой массой и габаритными размерами, простотой изготовления и дешевизной. Микрополосковая антенна состоит из двух параллельных проводящих слоев, разделенных диэлектриком; нижний проводящий слой является заземленной плоскостью, верхний Ї собственно излучателем антенны (по форме излучатель может быть прямоугольником, эллипсом, пятиугольником и т.д.). Микрополосковая антенна имеет диаграмму направленности, обеспечивающую прием сигналов правосторонней круговой поляризации из верхней полусферы. Применяются и другие типы слабонаправленных антенн.
Рис. 2.3. Структурная схема аппаратуры потребителя
Полосовой фильтр осуществляет фильтрацию сигналов в полосе частот МГц. На выходе блока имеется радиочастотный соединитель, к которому подключается коаксиальный кабель, соединяющий АБ с радиочастотным трактом.
Радиочастотный тракт навигационного приемника является многоканальным устройством, в котором, как отмечалось выше, проводится аналоговое усиление сигналов, фильтрация и преобразование несущей частоты сигналов ИСЗ (понижение частоты), а также преобразование аналогового сигнала в цифровую форму. Так как в СРНС ГЛОНАСС сигнал от каждого из спутников имеет свою несущую частоту, то каждый канал должен быть настроен на частоту сигнала одного из ИСЗ и селектировать частоты сигналов других ИСЗ. Схема такого приемника приведена на рис. 2.4.
Рис. 2.4. Радиочастотный тракт навигационного приемника
Одним из принципиальных моментов разработки навигационного приемника является выбор частотного плана. Под частотным планом подразумевается выбор частоты задающего генератора, частот гетеродинирования и дискретизации для того, чтобы минимизировать уровень паразитных гармоник, возникающих в схеме из-за различных нелинейностей и шумов и влияния цифровой части приемника.
Для этого предварительно выбирают частоту задающего генератора, промежуточные частоты и частоты гетеродиниривания, а затем определяют характеристики фильтров и коэффициенты усиления 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 конфигурацию, обеспечивающую оптимальный прием сигнала, при котором в спектре обрабатываемого сигнала от нелинейных преобразований появляются только дальние гармоники; эти гармоники малы и не оказывают серьезного влияния на сигнал.
Кроме этого, частоту дискретизации выбирают кратной частоте задающего генератора и всем промежуточным частотам.
Выбор числа уровней квантования в аналого-цифровом преобразователе (АЦП) определяется, в основном, типом помех на входе приемника. Если основным видом помех является белый гауссовский шум, то возможно применение малоуровневого квантования вплоть до бинарного. Если помеха узкополосная стационарная, то необходимо большее число уровней квантования.
В приведенной схеме использовано трехкратное понижение частоты сигналов (используется и двукратное понижение частоты). Первое понижение частоты до уровня проводится, для всех принятых сигналов, смесителем СМ0. После общего усиления и фильтрации сигналов усилителем промежуточной частоты УПЧ0 с полосой пропускания для совмещенной АП , сигнал поступает в N каналов, в каждом из которых проводится второе преобразование частоты (до значения ), ориентированное на прием сигнала от конкретного ИСЗ. Полосу пропускания канального УПЧ выбирают таким образом, чтобы выделялся сигнал одного из спутников и селектировались сигналы других. Третье понижение частоты проводят до уровня .
Опорные сигналы, поступающие на смесители, формируются синтезатором частот СЧ из опорной частоты опорного генератора ОГ. Управление работой синтезатора частот осуществляется по сигналам, поступающим от навигационного вычислителя. Опорный генератор - это устройство, во многом определяющее качество работы АП в целом. От ОГ в значительной степени зависят такие параметры, как время получения первого отсчета, точность определения координат потребителя, надежность, уровень потребления энергии, масса и габариты аппаратуры.
На выходе приемника аналоговые сигналы частоты в АЦП преобразуются в цифровую форму.
Коррелятор выполняет одну из основных задач. Для оценки координат и вектора скорости потребителя необходимо измерить радионавигационные параметры сигнала: задержку распространения и доплеровское смещение частоты. Эти параметры нужно измерить для сигналов, приходящих от каждого спутника.
Теория оптимальной фильтрации позволяет решить эту задачу в общем виде. На выходе оптимального фильтра получаем оценку измеряемого параметра. Однако алгоритмы оптимального приёма очень сложны и в настоящее время не реализуются в существующих приемниках. Для упрощения приемной аппаратуры задачу получения оценок координат и вектора скорости потребителя разбивают на два этапа обработки: первичную и вторичную. На этапе первичной обработки решается задача измерения навигационных параметров, а на этапе вторичной обработки вычисляются координаты и вектор скорости потребителя с использованием полученных на первом этапе оценок радионавигационных параметров и других навигационных функций. Большая часть алгоритмов первичной обработки производится в блоке цифровой обработки сигнала навигационного приёмника - в корреляторе.
Успешное решение задачи оценивания параметров радиосигнала (первичная обработка) возможно лишь в том случае, когда начальное рассогласование между истинным значением оцениваемого параметра и его оценкой достаточно мало. Это обусловлено нелинейностью радиотехнической системы слежения и связанной с этим необходимостью «захвата» сигнала для дальнейшего слежения за оцениваемым параметром. В связи с этим в радиотехнических системах, в том числе и радионавигационных, различают два режима: поиск сигнала и слежение. В режиме поиска сигнала производится грубая, но достаточная для захвата системой слежения, оценка параметров сигнала - временной задержки и частоты. В режиме слежения после захвата сигнала системами автоматической подстройки частоты (АПЧ), фазы (ФАПЧ) и времени (АПВ) осуществляется измерение информационных параметров сигнала.
Поиск сигнала и оценку его параметров проводят по каждому навигационному спутнику отдельно, поэтому в дальнейшем рассматриваются алгоритмы обработки только одного сигнала.Поиск и оценка параметров сигнала производится в соответствии с принципом максимального правдоподобия, который для сигналов с неизвестной начальной фазой сводятся к корреляционной обработке сигнала, представленного в виде двух квадратурных составляющих. Значения оцениваемого параметра принимают равновероятными. При этом ищут такую оценку , которая будет давать максимум условной плотности вероятности:
где -- условная плотность вероятности реализации входного процесса (входного сигнала) при заданных значениях .
Расписав это уравнение и раскрыв формулу условной плотности вероятности, можно получить следующую формулу для оптимальной оценки параметров принятого сигнала:
где - огибающая на выходе согласованного фильтра; - синфазная составляющая огибающей; - квадратурная составляющая огибающей.
При этом корреляционной обработке могут подвергаться как непрерывные сигналы, так и дискретные.
Квадратурные составляющие огибающей на выходе согласованного фильтра при оценке времени и частоты (- синфазная, - квадратурная) записываются в следующем виде
(2.1)
В этих выражениях: - частота сигнала, на которой производится корреляционная обработка. Для рассматриваемой схемы это третья промежуточная, равная 4 МГц; - модулирующий дальномерный сигнал; - копия дальномерного сигнала, формируемая в АП и сдвигаемая на переменную величину .
Поиск решения предполагает перебор всех возможных значений из области возможных значений задержек и доплеровских смещений частоты разбивается на небольшие участки. Согласованный фильтр последовательно дискретно перестраивается по множеству возможных значений анализируемых параметров. Для каждой из пар вычисляют и в качестве оптимальной оценки выбирается та пара, которой соответствует максимальное значение . Пара анализируемых параметров образует элементарную ячейку на плоскости поиска. Число ячеек поиска сигнала зависит от максимального доплеровского смещения частоты входного сигнала, составляющего ±5 кГц. Значение элементарной ячейки поиска по частоте определяется полосой захвата схемы частотной автоподстройки и составляет 500 Гц. Поэтому число анализируемых ячеек по частоте равно 20. Значение анализируемой ячейки по задержке сигнала равно длительности элементарного символа дальномерного кода, поэтому для системы «Глонасс» число ячеек равно 511. Соответственно, общее число ячеек поиска составит = 10220. Интегрирование по формулам (9.11) производится на интервале времени, равном периоду дальномерного кода Т = 1 мс. Поэтому, если один канал приёмника производит поиск сигнала одного спутника, то на это тратится время (в наихудшем случае), равное 10,22 с. Современные навигационные приёмники имеют многоканальную структуру, что позволяет использовать одновременно несколько каналов для поиска сигнала одного спутника. Кроме того, в памяти приёмника может храниться информация о параметрах движения спутников (режим так называемого горячего старта), поэтому перед поиском сигнала может быть вычислено приблизительное значение доплеровского сдвига, что существенно уменьшает число анализируемых ячеек .
Значение сравнивается с порогом и принимается решение о наличии или отсутствии сигнала. В том случае, если сигнал не обнаружен, переходят к следующей ячейке. В противном случае, приёмник переходит в режим захвата и непрерывного сопровождения по частоте и задержке. Если следящие системы по задержке и доплеровской частоте успешно захватывают сигнал, то из навигационного вычислителя (процессора) приходит команда о прекращении поиска, а противном случае, процедура поиска продолжается.
Подобные документы
Принцип работы системы контроля автомобилей при помощи спутниковой радионавигационной системы Глонасс. Бортовое оборудование Скаут, преимущества системы спутникового мониторинга. Разработка экспертной системы выбора типа подвижного состава (Fuzzy Logic).
курсовая работа [1,6 M], добавлен 07.08.2013Обмен радиовещательных и телевизионных программ. Размещение наземных ретрансляторов. Идея размещения ретранслятора на космическом аппарате. Особенности системы спутниковой связи (ССС), ее преимущества и ограничения. Космический и наземный сегменты.
реферат [29,1 K], добавлен 29.12.2010Принцип построения невозмущаемой безгироскопной гравитационно-спутниковой вертикали подвижного объекта. Модификации приборов для ее построения, для измерения текущих углов отклонения осей связанной системы координат от плоскости местного горизонта.
статья [12,1 K], добавлен 23.09.2011Обоснование необходимости использования и развития радионавигационных систем. Анализ принципа построения и передачи сигналов радионавигационных систем. Описание движения спутников. Принцип дифференциального режима и методы дифференциальной коррекции.
курсовая работа [654,2 K], добавлен 18.07.2014Принципы построения территориальной системы связи. Анализ способов организации спутниковой связи. Основные требования к абонентскому терминалу спутниковой связи. Определение технических характеристик модулятора. Основные виды манипулированных сигналов.
дипломная работа [3,1 M], добавлен 28.09.2012Разработка программной модели управления антенной для спутников, находящихся на геостационарной орбите, с помощью языка UML. Система управления спутниковой антенной. Состав и содержание работ по подготовке объекта автоматизации к вводу системы в действие.
курсовая работа [3,2 M], добавлен 20.05.2012Принцип работы приемоиндикатора в режиме измерения. Расчет и построение графиков форм сигналов. Определение напряжённости поля атмосферных шумов в полосе пропускания приёмника. Подсчет ошибок определения места фазовым отсчетам при двух уровнях слежения.
курсовая работа [537,8 K], добавлен 03.01.2010Изучение назначения спутниковой системы навигации. Расчет координат навигационных спутников в геоцентрической фиксированной системе координат. Определение координат Глонасс-приемника. Измеренное расстояние между навигационным спутником и потребителем.
контрольная работа [323,6 K], добавлен 17.03.2015Вопросы построения межгосударственной корпоративной системы спутниковой связи и ее показатели. Разработка сети связи от Алматы до прямых международных каналов связи через Лондон. Параметры спутниковой линии, радиорелейной линии, зоны обслуживания IRT.
дипломная работа [2,7 M], добавлен 22.02.2008Передача цифровых данных по спутниковому каналу связи. Принципы построения спутниковых систем связи. Применение спутниковой ретрансляции для телевизионного вещания. Обзор системы множественного доступа. Схема цифрового тракта преобразования ТВ сигнала.
реферат [2,7 M], добавлен 23.10.2013
