МУ по проведению ПЗ по курсу АП СРНС - Вводное занятие — различия между версиями

Материал из SRNS
Перейти к: навигация, поиск
(→‎НАП)
(→‎Домашнее задание)
 
(не показаны 25 промежуточных версий 1 участника)
Строка 5: Строка 5:
 
* Описать базовую структуру НАП
 
* Описать базовую структуру НАП
 
* Изучить модель входного сигнала НАП и рассчитать основные её параметры
 
* Изучить модель входного сигнала НАП и рассчитать основные её параметры
 +
 +
 +
== Требуемое оборудование ==
 +
 +
* Проектор
 +
* Учебная доска
  
  
Строка 10: Строка 16:
  
 
Занятие проводится на основе [[Media:20110922_АП СРНС - 1 занятие.ppt|презентации]].
 
Занятие проводится на основе [[Media:20110922_АП СРНС - 1 занятие.ppt|презентации]].
 +
  
 
== Спутниковая радионавигационная система ==
 
== Спутниковая радионавигационная система ==
Строка 121: Строка 128:
 
Объект курса - навигационная аппаратура потребителей (НАП).
 
Объект курса - навигационная аппаратура потребителей (НАП).
  
−
Под '''навигационной аппаратурой потребителей''' (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.  
+
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 входит в состав СРНС как третий сегмент, назначение которого - донесение до потребителей функций СРНС, т.е. координатно-временного обеспечения.  
  
−
[[File:20120403_NAP.png|center]]
+
[[File:20120403_NAP.png|center|500px]]
  
 
НАП является функцией от сигналов и своего внутреннего состояния, возвращающая время, координаты, скорость и пространственную ориентацию потребителя.
 
НАП является функцией от сигналов и своего внутреннего состояния, возвращающая время, координаты, скорость и пространственную ориентацию потребителя.
Строка 141: Строка 148:
 
# Взаимодействие с потребителем с помощью того или иного интерфейса: прием команд и выдача координатно-временного обеспечения.
 
# 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  –  называют радиочастотным блоком (или front-end'ом); задачи 1-2 – радиочастотной частью НАП; задачи 3-7 – устройством цифровой обработки; задачи 2-7 – модулем навигационного приемника.
+
[[File:20120403_Functions_All.png|center]]
 +
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:
 +
 
 +
<math>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),</math>
 +
 
 +
:где<br>
 +
:<math>A = \sqrt{(2P_{}^{})}</math> - амплитуда (<math>P^{}_{}</math> - мощность) сигнала на выходе антенны,<br>
 +
:<math>h_{rc}(t)\in\{-1;+1\}</math> - функция дальномерного кода (range code) сигнала,<br>
 +
:<math>h_{nd}(t)\in\{-1;+1\}</math> - функция навигационного сообщения (navigation data),<br>
 +
:<math>\tau^{}_{}</math> - задержка дальномерного кода,<br>
 +
:<math>\omega^{}_0 = 2\pi f_0</math> - несущая частота,<br>
 +
:<math>\omega_d^{} (t)</math> - сдвига несущей частоты сигнала, вызванный эффектом Доплера,<br>
 +
:<math>\varphi_{}^{}(t_0)</math> - фаза на некоторый момент <math>t^{}_0</math>.
 +
 
 +
Рассчитаем область возможных значений мощности сигнала, задержки и доплеровского сдвига частоты.
 +
 
 +
{{ambox
 +
|type      = content
 +
|text      = '''Задача: мощность навигационного сигнала'''
 +
|text-small =
 +
Рассчитать мощность навигационного сигнала на выходе микрополосковой антенны с круговой поляризацией. Необходимыми для расчета параметрами задаться самостоятельно на основе открытых данных. Рассчитать амплитуду сигнала на 50-омном сопротивлении.
 +
 
 +
 
 +
'''Возможное решение'''
 +
 
 +
Решение приведено в [1:11.2.2]
 +
 
 +
}}
 +
 
 +
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.
 +
 
 +
{{ambox
 +
|type      = content
 +
|text      = '''Задача: задержка распространения сигнала'''
 +
|text-small =
 +
Оценить величину задержки распространения навигационного радиосигнала.
 +
 
 +
 
 +
'''Возможное решение'''
 +
Высота орбиты спутников около <math>h</math> = 20 000 000 м. При распространении со скоростью света сигнал может пройти такое расстояние за <math>\tau_0 = h / c \approx</math> 67 мс.
 +
}}
 +
 
 +
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.
 +
 
 +
{{ambox
 +
|type      = content
 +
|text      = '''Задача: доплеровский сдвиг частоты'''
 +
|text-small =
 +
Оценить максимально возможное значение доплеровского сдвига частоты, если:<br>
 +
а) потребитель неподвижен относительно поверхности Земли;<br>
 +
б) потребитель движется со скоростью 3000 км/ч.
 +
}}
 +
 
 +
Типичный диапазон значений доплеровского сдвига частоты составляет <math>\pm</math>5 кГц.
 +
 
 +
 
 +
Проверить соответствие полученной математической модели сигнала реальности предлагается в [[Исследование характеристик МШУ аппаратуры потребителей СРНС и условий его работы (лабораторная работа)|лабораторной работе]].
 +
 
 +
 
 +
== Домашнее задание ==
 +
{{ambox
 +
|type      = notice
 +
|text      =
 +
|text-small = Результаты выполнения домашнего задания оформляются в виде индивидуального отчета, сдаются преподавателю на проверку на следующем занятии. Отчет должен содержать постановку задачи, решение задачи, заключение. В отчет включаются необходимые математические выкладки и листинги программ.
 +
}}
 +
:1. Изучить литературу согласно [[#Литература|списку]].
 +
:2. Построить график спектральной плотности мощности навигационного радиосигнала ГЛОНАСС с литерой частоты <math>l</math> = 3 на выходе приемной антенны, если радиальная скорость сближения спутника и потребителя (приемной антенны) составляет 1500 км/ч.
 +
 
 +
== Контрольные вопросы ==
 +
 
 +
# Дайте определение СРНС, НАП, КВО, антенного модуля, навигационного модуля.
 +
# Какова высота орбит спутников ГЛОНАСС, NAVSTAR GPS?
 +
# Составьте функциональную схему НАП, опишите функции её элементов.
 +
# Какие типы антенн используются при построении НАП?
 +
# Запишите математическую модель сигнала на выходе антенны. Укажите диапазон возможных значений параметров.
 +
 
 +
 
 +
== Литература ==
 +
 
 +
1. {{Публикация:Перов 2010 ГЛОНАСС}}:
 +
 
 +
* 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
 +
 
 +
[[Категория:Методические указания по проведению практический занятий по курсу АП СРНС]]

Текущая версия на 15:26, 8 апреля 2012

Содержание

[править] 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


[править] Требуемое оборудование

  • Проектор
  • Учебная доска


[править] Медиа

Занятие проводится на основе презентации.


[править] 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.

[править] 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.

Проблемы с содержанием статьи
 Задача
Оценить порядок величины минимального необходимого числа спутников для одновременного покрытия каждой точки поверхности земного шара сигналами как минимум 4 среднеорбитальных спутников с углом места более 8 градусов.

Возможное решение

Как сказано ранее, высота полета спутников - около h = 20 000 км. Радиус Земли - около R = 6 500 км. Угол места \alpha = 7 градусов. Отсюда телесный угол примерно \Omega = \frac{2}{\pi}(1-cos(\beta)) = 4\pi/3, то есть треть от всей сферы. На любой трети сферы всегда должны быть видны 4 спутника, откуда спутников не менее 12. Из-за особенности покрытия сферы полученными поверхностями и движения спутников необходимое количество несколько больше. Всего нужно порядка нескольких десятков спутников.

20120403 Task1.png

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.

[править] Эволюция спутников системы GPS

Информация в презентации

[править] Эволюция спутников системы ГЛОНАСС

Информация в презентации

[править] 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

[править] Ураган-М

Информация в презентации

[править] Ураган-К

Информация в презентации


[править] Подсистема контроля и управления

Состав и расположение.

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


[править] 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.

[править] 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.

20120403 NAP.png

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

20120403 NAP2.png


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.
20120403 Functions All.png

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.


[править] 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.

Проблемы с содержанием статьи
 Задача: мощность навигационного сигнала
Рассчитать мощность навигационного сигнала на выходе микрополосковой антенны с круговой поляризацией. Необходимыми для расчета параметрами задаться самостоятельно на основе открытых данных. Рассчитать амплитуду сигнала на 50-омном сопротивлении.


Возможное решение

Решение приведено в [1:11.2.2]

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.

Проблемы с содержанием статьи
 Задача: задержка распространения сигнала
Оценить величину задержки распространения навигационного радиосигнала.


Возможное решение

Высота орбиты спутников около h = 20 000 000 м. При распространении со скоростью света сигнал может пройти такое расстояние за \tau_0 = h / c \approx 67 мс.

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.

Проблемы с содержанием статьи
 Задача: доплеровский сдвиг частоты
Оценить максимально возможное значение доплеровского сдвига частоты, если:

а) потребитель неподвижен относительно поверхности Земли;

б) потребитель движется со скоростью 3000 км/ч.

Типичный диапазон значений доплеровского сдвига частоты составляет \pm5 кГц.


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


[править] Домашнее задание

Информация
Результаты выполнения домашнего задания оформляются в виде индивидуального отчета, сдаются преподавателю на проверку на следующем занятии. Отчет должен содержать постановку задачи, решение задачи, заключение. В отчет включаются необходимые математические выкладки и листинги программ.
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.

[править] 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.


[править] 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
Источник — «https://srns.ru/index.php?title=МУ_по_проведению_ПЗ_по_курсу_АП_СРНС_-_Вводное_занятие&oldid=6221»
Персональные инструменты
Пространства имён

Варианты
Действия
SRNS Wiki
Рабочие журналы
Приватный файлсервер
QNAP Сервер
Инструменты