Приложения

Список сокращений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

Список обозначений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

Список сообщений приёмоиндикатора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

– 3 –

Общие указания

Перед лабораторными занятиями каждый студент должен изучить со-ответствующий раздел конспекта лекций по дисциплине “Интегрированные коммуникационно-навигационные системы”.

При выполнении лабораторной работы каждая бригада студентов проводит исследования на конкретной лабораторной установке. Работа считается законченной после предъявления преподавателю результатов исследований.

После проведения исследований студенты обязаны привести в порядок свои рабочие места.

Перед зачетом бригада студентов должна оформить отчет по лабора-торным работам и сдать его на проверку преподавателю.

Литература

  Основная:

3. Радиотехнические системы./ Под ред. Ю. М. Казаринова. – М.: Академия, 2008.

4. GPS III plus. Owner’s Manual & Reference. – GARMIN International, 2001.

5. Худяков Г. И. Транспортные информационно-управляющие радио-электронные системы: Учеб. пособие. – СПб.: СЗТУ, 2008.

  Дополнительная:

3. Соловьев Ю. А. Системы спутниковой навигации. – ЭКО-ТРЕНДЗ, 2000.

– 4 –

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

Исследование эксплуатационно-технических характеристик приёмоиндикатора глобальной спутниковой рнс gps

1. Цель работы

Изучение принципа действия среднеорбитальных глобальных спутни-ковых радионавигационных систем (СРНС) типа американской РНС GPS (Global Positioning Sistem) и исследование эксплуатационно-технических характеристик приёмоиндикатора (ПИ) спутниковых РНС как радионавига-ционного датчика местоположения (РДМП) подвижного объекта в интегри-рованных радиосистемах сухопутной навигации, диспетчерского управления движением и мониторинга наземного транспорта, а также для аэронавигации летательных аппаратов малой авиации. В результате проведения лаборатор-ной работы студент должен научиться пользоваться современной радио-навигационной аппаратурой.

2. Основные сведения

О СРЕДНЕОРБИТАЛЬНЫХ ГЛОБАЛЬНЫХ СПУТНИКОВЫХ РНС

GPS («Navstar» – США), ГЛОНАСС (РФ), «Galileo» (EC)

Одним из основных элементов современных радиосистем оператив-ного дистанционного управления (РСДУ) движением (диспетчеризации) и мониторинга (дистанционного централизованного контроля состояния) на-земных транспортных средств (НТС) является радионавигационный датчик местоположения (РДМП) объекта. В качестве такового чаще всего исполь-зуются приёмоизмерители (ПИ) спутниковых РНС (американской СРНС “Navstar-GPS”, российской ГЛОНАСС, европейской “Galileo”). Для начала рассмотрим структуру и функционирование системы GPS.

Сеть опорных станций состоит из 24 рабочих НИСЗ и одного-двух-трех резервных. Рабочие НИСЗ располагаются равномерно в шести наклонных плоскостях, разнесенных на 60друг относительно друга. Это дает почти в любой открытой точке земной поверхности почти в любое время суток не менее четырех видимых пользователем НИСЗ, необходимых для определе-ния трех координат объекта местоопределения в геоцентрической системе пространственных координат (рис.1).

КИК состоит из сети командно-измерительных пунктов и центра упра-вления системой. КИК поддерживает:

• положение НИСЗ на орбитах;

• единое время в системе, связанное со всемирным временем;

• формирование информации для пользователей о точном местоположении каждого НИСЗ на текущий час (эфемериды) и на несколько витков вперед (альманах созвездия НИСЗ);

• контроль работоспособности НИСЗ и замену неисправных НИСЗ резервными.

– 5 –

Рис. 1. Космический сегмент СРНС ГЛОНАСС и «Galileo»

Радиосигналы правосторонней круговой поляризации системы GPSиспользуют две несущие с частотамиf₁= 1575,42 МГц иf₂= 1227,6 МГц. Фазы этих несущих подвергаются бинарной фазовой манипуляции (0/180) двумя псевдослучайными последовательностями. Одна из них представляет собой двоичный код с длительностью элементарных символов около 1 мкс и с периодом повторения 1000 мкс. Это – так называемый код грубой привязки

(C/A-code = Coarse Acquisition). Этот код – открытый и может быть исполь-зован всеми гражданскими пользователями. Поэтому он иначе называется стандартным средством местоопределения (SPS=StandardPositioningService). В настоящее время С/А-код используется только на частотеf₁и обеспечивает плановую (в горизонтальной плоскости) точность местоопре-деления_r= 10 м, точность определения геодезической высоты_h= 14 м и точность привязки к системному времени_t= 100 нс. Чтобы воспрепят-ствовать – при обострении международной обстановки – гражданским поль-зователям (и вероятному противнику) получать столь высокую абсолютную точность местоопределения по грубому коду, Министерство обороны США предусмотрело в системеGPSпроцедуру селективного доступа (SA=Selec-tiveAvailability): псевдослучайные медленные колебания системного време-ни и искажения эфемеридной информации, которые приводят к загрублению точности местоопределения по С/А-коду до требуемой для национальной безопасности величины_r= 50 м.

После достаточно быстрой, но грубой привязки по С/А-коду ПИ санк-ционированных пользователей могут перейти к поиску и привязке по сигна-лам точного кода (P-codeили кодPPS=PrecisePositioningService). Точный код фазовой манипуляции имеет длительность бинарной посылки 0,1 мкс и представляет собой псевдослучайную последовательность с периодом

– 6 –

2,3510¹⁴(266 дней). Каждый НИСЗ использует свой сегмент этой последова-тельности длительностью в 1 неделю (кодовое разделение сигналов НИСЗ), который периодически обновляется.

P-код используется на обеих частотах, что позволяет определенному кругу пользователей при абсолютном местоопределении устранить погреш-ности радиоопределения, вызванные ионосферной и тропосферной рефрак-цией радиосигналов, принимаемых в приземном пространстве.P-код явля-ется секретным; однако для дальнейшего его засекречивания и повышения помехозащищенности системы от имитационных помех вероятного против-никаP-код сворачивается (суммируется по модулю 2) со специальнымW-кодом. Результирующая псевдослучайная последовательность называетсяY-кодом.

Использование Р-кода позволяет получать абсолютное местоположение с плановой точностью _r= 5-7 м, определять высоту с точностью_h= 10 м, время системное_t= 26 нс, всемирное время с точностью_t= 100 нс и составляющие скорости объекта_v= 0,1 м/с.

Переход к привязке по фазе высокочастотного заполнения радио-сигналов РНС позволяет получать неоднозначноеместоположение назем-ного объекта с точностью в несколько сантиметров.

К сожалению, использование сигналов спутниковых РНС в сухопутной навигации имеет два существенных недостатка, являющихся следствием малой длины волны радиосигнала (₀= 20 см): слабая доступность радиосиг-

налов на сильно пересеченных, горных и урбанизированных территориях и существенные локальные искажения принимаемых радиосигналов вблизи металлических и железобетонных конструкций (многолучёвость трассы распространения).

Поскольку ОС спутниковой РНС непрерывно меняют свое местопо-ложение, то для радиоопределений пользователям РНС необходима опера-тивная информация о текущих координатах НИСЗ. Такая информация фор-мируется на КИК и передается пользователям каждым НИСЗ с помощью дополнительного кодирования излучаемых радиосигналов D-кодом Голда, имеющим длительность элементарной посылки 20 мс. Каждый НИСЗ перио-дически передает эфемериды (параметры траектории на час вперед) данного НИСЗ, частотно-временные поправки к шкале времени, альманах для всех НИСЗ системы, поправки на условия распространения радиосигналов, теле-метрическую информацию. Эта информация обновляется ежечасно (кроме альманаха НИСЗ, который обновляется ежемесячно).

Извлечение навигационной информации в ПИ пользователя произво-дится следующим образом. В ПИ вырабатывается опорный сигнал грубого кода с произвольным (в допустимых пределах) временным и доплеровским сдвигом. Затем с помощью опорного сигнала производится взаимнокорел-ляционная обработка принимаемого от данного НИСЗ радиосигнала.

– 7 –

Если сигнал с данными параметрами частотно-временного сдвига не обнаружен, то параметры опорного сигнала меняются на некоторую дис-кретную величину и т.д.

При обнаружении сигнала (окончание частотно-временного поиска) включается схема частотно-временного слежения за радиосигналом данного НИСЗ, которая оперативно компенсирует доплеровский сдвиг частоты несущей и отслеживает временное положение максимума взаимнокорре-ляционной функции принимаемого и опорного сигналов. Устройство поиска сигналов переходит к частотно-временному поиску радиосигнала следу-ющего НИСЗ и т.д.

Постоянная времени схем частотно-временного слежения зависит от динамических характеристик подвижного объекта. Так, экспериментальные исследования отечественных и зарубежных специалистов показали, что, для автотранспорта, оптимальное значение постоянной времени этих схем 4-5 с, для морского – около 15 с. Темп выдачи отсчетов РНП обычно состав-ляет 1 с.

Первоначальное радиоопределение производится в декартовой геоцен-трической системе (X,Y,Z) всемирных геодезических координатWGS84, после чего координаты (X,Y,Z) преобразуются в любую выбранную пользо-вателем систему геодезических координат.

Межведомственный исполнительный совет по системе GPS(IGEB) в 1997-99 гг. разработал программу развития системыGPSна период 2000-2030 гг. в интересах как военных, так и гражданских пользователей.

Для военных пользователей в поддиапазонах L1 иL2 вводятся на 20 Дб более мощные, чем вPPS, высокоточные сигналы М-кода, которые имеют гауссовскую манипуляцию несущей с минимальным частотным сдвигом (GMSK). Это позволит снизить взаимное влияние сигналовPPSиSPSдруг на друга и повысить точность местоопределения по высокоточным сигналам в стандартном режиме до_r= 3 м.

Для местоопределения гражданских НТС снимается режим SAи вводится сигналSPSв поддиапазонеL2. Это позволит всем гражданским пользователям повысить точность местоопределения НТС в стандартном режиме до_r= 8,5 м.

Для гражданской авиации вводится широкополосный (ширина полосы 20 МГц) сигнал, аналогичный сигналу М-кода, в поддиапазоне L5 с частотой несущей 1176,45 МГц и мощностью на 6 Дб большей, чем сигналыSPS.

Первым шагом по выполнению этой программы явилось снятие в мае 2000 г. режима селективного доступа, что позволило гражданским пользо-вателям увеличить абсолютную плановую точность местоопределения по сигналам SPSна частотеL1 с_r= 50 м до_r= 11 м.

В связи с этим в 2000-2008 гг. модернизируется аппаратура КИК.

– 8 –

Дальнейший график модернизации GPS, связанный с графиком запуска модернизированных НИСЗ второго поколения (GPSII) и НИСЗ третьего поколения (GPSIII), следующий:

• запуск НИСЗ GPSIIR(добавляются сигналы С/А-кода наL2 и М-кода наL1 иL2) – 2003-05 гг.;

• запуск НИСЗ GPSIIF(добавляются сигналы С/А-кода наL2, М-кода наL1 иL2 и широкополосный сигнал наL5) – 2005-10гг.;

• запуск НИСЗ GPSIII(добавляются сигналы С/А-кода наL2, М-кода повышенной мощности наL1 иL2 и широкополосный сигнал наL5) – после 2010г.

Таким образом, после 2008 г. разработчики транспортных информаци-онно-управляющих систем (ТИУС) гражданского назначения получат в свое распоряжение радиосигналы GPSв трех поддиапазонах (L1,L2 иL5), что позволит увеличить точность и надежность координатного обеспечения ТИУС, а также уменьшить влияние на навигационное местоопределение сигналов РЭС соседних поддиапазонов частот (приаэродромных РЛС, военных радиосистем связи и управленияJTIDSи др.). Кроме того, для малоподвижных гражданских объектов совместное использование радиосиг-наловL1 –L2,L1 –L5 иL2 –L5 позволит устранять многозначность прецизионного местоопределения по фазе несущей и обеспечить однозна-чное определение координат объектов с сантиметровой точностью по всему земному шару. Такая точность координатного обеспечения требуется при приземлении авиалайнеров, при топографических съемках, при автоматичес-ком управлении передвижением тихоходных наземных машин и механизмов (тракторов, комбайнов, грейдеров, экскаваторов, трейлеров и т.п.), в геофи-зических исследованиях и пр., а также всех подвижных объектов на территории аэропортов.

К сожалению, американцы предусмотрели другую “хитрость” – селек-тивный доступ по географическому признаку: в нужное время они по своему желанию смогут купировать локальные районы и территории земного шара, оставляя их без радионавигационного обеспечения вообще.

Российским аналогом системы GPSявляется система ГЛОНАСС (ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система), которая была введена в эксплуатацию в январе 1996 г. Основные отличия системы ГЛОНАСС отGPSзаключаются в расположении НИСЗ в трех плоскостях (см. рис.1), в большей длительности элементарных посылок (точного кода – 0,2 мкс, грубого кода – 2 мкс), в частотном разделении сигналов различных НИСЗ и в отсутствии режима селективного доступа. Натурные испытания системы ГЛОНАСС в 1996-97 гг. показали плановую точность местоопределения по сигналам грубого кода_r=17-23 м.

– 9 –

К сожалению, известные политические события в России привели к тому, что в настоящее время космическая группировка ГЛОНАСС насчи-тывает менее десятка НИСЗ, что не позволяет использовать её для круглосуточного глобального местоопределения. В 2004 г. принято решение довести эту группировку до 18 НИСЗ в 2006 г. и до полного состава в 24 НИСЗ – в 2010 г.

В 1997-2000 гг. Евросоюзом была разработана и введена в эксплуа-тацию спутниковая радионавигационная система EGNOS, которая состоит из трех геостационарных спутников, обслуживающих транспортный комплекс Зап. Европы. Система EGNOS излучает навигационные радиосигналы, анало-гичные сигналам СРНС GPS, а также ретранслирует сигналы СРНС GPS (псевдоспутники GPS), передает информацию о целостности системы GPS и о дифференциальных поправках для пользователей СРНС GPS. В это же время был разработан технический проект европейской среднеорбитальной СРНС «Galileo», аналогичной СРНС GPS и ГЛОНАСС и сопряженной с системой EGNOS.

В системе «Galileo» будут использоваться четыре вида радиосигналов в поддиапазонах Е1, Е2, Е4 и Е5:

• OAS (Open Access Service) – для координатного обеспечения наземного, водного и воздушного транспорта общего пользования (длитель-ность элементарной посылки _э = 0,33 мкс, точность местоопределения _r = 10-20 м);

• CAS (Controlled Access Service) – для платного высокоточного координатного обеспечения выделенных групп пользователей (длительность посылки _э = 0,065 мкс, точность _r = 4 м), в том числе – воздушных судов при их инструментальной посадке по I категории ICAO;

• SAS (Safety Access Service) – для навигационного обслуживания частных служб обеспечения безопасности пассажирских перевозок,

• GAS (Government Access Service) – для навигационного обслу-живания государственных служб обеспечения безопасности, для обеспечения национальной безопасности стран Евросоюза и для стратегических целей Евросоюза в целом.

Кроме того, будет организована ретрансляция радиосигналов междуна-родной службы поиска и спасения терпящих бедствие на воде (Cospar-Sarsat) – службаSAR(SearchandRescue).

В будущем «Galileo» станет основным компонентом трансевропейской транспортной сети и ее инфраструктуры, обеспечивающей также и глобаль-ные перевозки.

Совет Министров транспорта Евросоюза в 1999 г. принял следующую стратегию развития СРНС «Galileo»:

2000 г. – разработка технического проекта системы;

– 10 –

2000-03 гг. – развертывание наземных служб системы и обеспечение эксплуатационной готовности космического сегмента системы;

2004–05 гг. – запуск экспериментальных НИСЗ и испытания работо-способности системы;

2005–08 гг. – запуск рабочих навигационных ИСЗ, обеспечение пол-ной эксплуатационной готовности системы и ввод ее в эксплуатацию.

Система «Galileo» создается под руководством Европейского косми-ческого агентства (ESA) в рамках проекта «GalileoSat», стоимость которого оценивается в 3 млрд. евро.

По оценкам западноевропейских специалистов, система «Galileo» позволит транспортникам Евросоюза получить дополнительную прибыль в 2005–25 гг. около 90 млрд. евро, сократить время перевозок на 30%, километраж – на 40%, снять стрессовое состояние водителей в 90% случаев.

На рис.2 приведено распределение спектров радиосигналов спутни-ковых РНСGPS, ГЛОНАСС и “Galileo”.

Рис.2. Спектры радиосигналов спутниковых РНС

Аппаратура пользователей спутниковой РНС «Navstar» (GPS) претер-пела за последние 10 лет ряд коренных изменений, а свыше 100 радиоэлек-тронных фирм разработали около 500 моделей приёмоизмерителей. Если в 1993 г. приёмоизмерители (ПИ) для НТС (первого поколения) имели габа-риты объемом 1000–2500 куб.см при стоимости 2500–5000 дол. США, то в 1995 г. ПИ второго поколения имели объемы 500–1000 куб.см при стоимос-ти 1000–2000 дол., а в 1997 г. 200–400 куб. см при стоимости 200–500 дол. В это же время появились приёмоизмерительные модули, которые можно встраивать в бортовые персональные компьютеры и другую радиоэлек-тронную аппаратуру и которые имеют объемы 40-100 куб.см при стоимости 50–100 дол. Наконец, американская фирма «SiRFTechnology» разработала приёмоизмерительную микросхему (чип) универсального применения «SiRFstarI/LX» с размерами 9 × 1,6 × 9 мм при оптовой цене около 20 дол. Выпускаются и более миниатюрные микросхемы.

– 11 –

Ведущими производителями ПИ спутниковых РНС для наземного транспорта являются американские фирмы «Trimble Navigation», «Magellan Systems», «GARMIN International», канадская «Canadian Marconi», японская «Koden Electronics» и испанская «Sena GPS SA».

Основные эксплуатационно-технические характеристики типичного при-ёмоизмерителя GPSдля непрофессионального использования на транспорт-ных средствах следующие:

• производитель – GARMINInt. (США, шт. Канзас);

• модель – “GPSIIIplus”;

• появление на рынке – Iкв. 1999 г.;

• назначение – непрофессиональная воздушная, сухопутная и мор-ская навигация;

• количество каналов – 12;

• размеры = объем – 51 × 156 × 31 мм = 247 куб. см;

• масса – 255 г;

• дифференциальная точность местоопределения – 1-5 м;

• темп выдачи данных – 1 с;

• «холодный» старт – 5 мин;

• «теплый» старт – 15 с;

• порт – RS-232Cсо скоростью 300-9600  бит/с;

• рабочие температуры – от –15С до +70С;

• энергопотребление – 0,75 Вт;

• стоимость – 572 дол. США.

Типичный выносной антенный блок с фидером длиной 5 м имеет размеры 52 × 42 × 14 мм и стоимость 20-60 дол.

– 12 –

3. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

Лабораторная установка представляет собой серийный сухопутно-авиа-ционный приёмоиндикатор (ПИ) сетевой среднеорбитальной спутниковой РНСGPS модели “GPS III Plus” американской фирмы GARMIN с антенно-фидерным входным устройством и сетевым блоком электропитания (рис.3).

Рис.3. Структурная схема лабораторной установки

Антенно-фидерное устройство крепится присоской к оконному стеклу лаборатории. Приёмоиндикатор крепится специальной полоской Velcro к подставке, установленной на лабораторном столе.