LRAR – Radioloka ční a radionaviga ční systémy

LRAR – Radiolokační a radionavigační systémy

TUTORIÁL 4.

Jiří ŠebestaÚstav radioelektroniky FEKT VUT v Brně

Radionavigační systémy strana 2

LRAR: TUTORIÁL 4 - TÉMATA Principy družicové navigace Výpočet polohy Přesnost měření polohy GPS NAVSTAR GLONASS BeiDou, Compass QZSS GALILEO Aplikace GNSS Diferenční měření Přijímače GNSS


Satelitní navigační systémy GNSS (Global Navigation Satellite System) náleží do kategorie globálních systémů, jenž umožňují určení polohy libovolného místa na Zemi v jednotném společném souřadném systému.

LRAR-T4: Principy druž. navigace (1/26)

Družice tvoří soustavu majáků s vhodnou konstelací pro optimální pokrytí Země s minimální chybou určení polohových souřadnic navigačním zařízením (přijímačem) v uživatelském segmentu.

Nejrozšířenějším systémem globální satelitní navigace je v současnosti GPS - NAVSTAR (Global Positioning System - Navigation System Using Time and Range).



Navigační metody GNSS

Při určování polohy zpracování signálů družic se používají následující metody:

metoda úhloměrná metoda dopplerovská metoda interferometrická metoda založená na měření fáze nosné metoda dálkoměrná



Úhloměrná metoda

Z místa, jehož polohu určujeme, zaměřujme družici a zjišťujme její elevační úhel.

Geometrickým místem bodů s konstantním elevačním úhlem k satelitu je kužel s vrcholem v místě družice.

Provedeme-li měření ke stejné (v jiném čase) nebo jiné družici (ve stejném čase), určíme jiný kužel. Průsečík obou kuželů s po-vrchem Země, resp. s výškovou hladinou, v níž se poloha měřeného bodu nachází, se protínají v měřeném bodě.



Ze znalosti aktuální polohy družic (tj. vrcholů kuželu) a příslušných elevačních (polohových) úhlů určíme průsečík kuželů definující polohu měřeného bodu.

Metoda patří k nejstarším satelitním navigačním meto-dám. Vyžaduje zaměřovat družice směrovými anténami, je málo přesná. Lze zaměřovat na maximum, na minimum nebo srovnávací metodou. Určení souřadnic vykazuje nejednoznačnost.



Dopplerovská metoda

Družice pohybující se po negeostacionární oběžné dráze vysílá signál se stabilním kmitočtem fv.

Signál přenáší časové značky vysílané v okamžicích ti, ti+1, ti+2, … s konstantním časovým rozestupem T = ti+1 - ti.

Frekvence signálu přijímaného uživatelem v místě měření polohy je v důsledku Dopplerova jevu rovna hodnotě fRX lišící od fTX.

Přijímaný signál je spolu se signálem lokálního oscilátoru s kmitočtem fLO, veden do směšovače.



Výstupní signál za směšovačem má rozdílový kmitočet fLO – fRX. Jeho periody počítá čítač, který je spouštěn a blokován po sobě jdoucími přijatými časovými znač-kami.

Vzdálenost družice - uživatel se mezi dvěma časovými značkami změní z hodnoty di na hodnotu di+1. Časová značka je uživatelem přijata v okamžiku ti + ti, kde ti = di/c je doba nutná ke zdolání vzdálenosti di družice – uživatel si-gnálem při rychlosti jeho šíření c.



Čítač měřící periody signálu s rozdílovým kmitočtem ve své podstatě měří změnu fáze signálu mezi dvěma přijatými časovými značkami:



Počet period signálu vysílaného mezi dvěma sousedními časovými značkami je stejný s počtem period signálu přijímaného mezi sousedními značkami, neboť dopplerovský efekt se samozřejmě projeví i v oblasti časové:

Pro měření se však využívá rozdílová složka po směšová-ní přijatého signálu se signálem lokální-ho oscilátoru.



Provedeme-li nejméně tři měření Ni, Ni+1, Ni+2 a známe-li souřadnice družice v okamžicích ti, ti+1, ti+2 můžeme řešit soustavu tří rovnic o třech neznámých, kterými jsou souřadnice uživatele v místě zjišťování polohy (x, y, z). Poloha družice se určí z aktuálních parametrů její dráhy, které však musí satelit vysílat, aby chyba určení jeho polohy v časových okamžicích ti, ti+1, ti+2 byla co nejmenší.

Označíme-li F = fLO – fTX, souřadnice družice v okamžiku ti uspořádanou trojicí (xi, yi, zi), resp. v okamžiku ti+1 trojicí (xi+1, yi+1, zi+1) a souřadnice uživatele (x, y, z) , dostaneme:



Interferometrická metodaInterferometrická metoda

První anténou měříme zdánlivou vzdálenost D1i k i - té družici a současně druhou anténou zdánlivou vzdálenost D2i ke stejné družici i.

Systémy toho typu se často označují jako diferenciální. Pozemský přijímač má dvě antény umístěné na společné základně a vzdálené od sebe d.



Potom lze určit úhel i, který svírá základna se spojnicí střed základny – družice a který pro měřící antény umístěné ve stejné výšce představuje úhel elevační:

Pomocí dvou (známe-li geodetickou výšku), resp. tří takto stanovených úhlů a znalosti polohy družic lze určit polohu uživatele. Princip výpočtu odpovídá úhloměrným metodám.

dDD ii

i12arccos

Výhodou metody je měření jen zdánlivých vzdáleností družice, což odstraňuje nutnost dokonalé synchronizace s palubními hodinami satelitu.



Interferometrické měření fáze nosné

Měření je mnohem přesnější, než v předchozím případě, protože malé změně vzdálenosti odpovídá relativně velká změna fáze nosné, kterou lze pak přesně změřit.

2arccos n

di

Přijímač měří rozdíly fází nosné vlny signálů přijímaných od jedné družice dvěma anténami umístěnými na základně dlouhé d. Celým počtem period n měření inicializujeme pomocí modulačního signálu. Úhel, který svírá základna se směrem k družici je dán vztahem:



Interferometrické měření fáze nosné – princip



Dálkoměrná metoda

x x y y z z di u i u i u i 2 2 2

Dálkoměrná metoda je nejčastěji využívaným způsobem měření polohy pomocí družic. Je základem systému GPS, GLONASS i GALILEO.

Známe-li souřadnice družic (xi, yi, zi) a jsme-li schopni zjistit vzdálenost uživatelova přijímače od jednotlivých družic di, můžeme polohu uživatele (xu, yu, zu) určit řešením soustavy tří rovnic pro tři neznámé (výpočet průsečíku tří kulových ploch se středy xi, yi, zi a poloměry di) :



Dálkoměrná metoda - princip



Souřadnice jednotlivých družic jsou zakódovány ve vysílaném signálu jednotlivých družic, tzv. navigační zprávě.

cd dii

kde c je rychlost šíření elektromagnetické vlny ve vakuu.

Vzdálenost od družice se zjišťuje pomocí měření doby di definující zpoždění na trase satelit - navigační přijímač:

Dobu di však můžeme určit pouze při dokonalé synchronizaci časové základny družice a navigačního přijímače, což nelze dostupnými prostředky zajistit.



V okamžiku měření časová základna uživatele vůči satelitu vykazuje jistý neznámý posuv t, který můžeme přepočítat na vzdálenost b = ct. K neznámým souřadnicím přibývá další neznámá b a pro výpočet polohy ve třírozměrném prostoru je nutno zpracovat signál alespoň ze čtyř majákových družic:

bDctdzzyyxx imiiuiuiui 222

Je však nutno zajistit vzájemnou synchronizaci jednotlivých satelitů podle společné časové základny systému, tak aby b bylo konstantní hodnotou pro všechny satelity systému.



Při měření generuje navigační přijímač kopii PNP signálu družice, kterou časově synchronizuje s přijímaným signálem, čímž získává zpoždění mi vztažené vůči časové základně přijímače. Pro měření signálů ze čtyř družic získáme čtveřici zpoždění mi (pro i = 1, 2, 3, 4), jimž odpovídají pseudovzdálenosti Di. Dosazením do soustavy čtyř rovnic vypočteme hledané souřadnice uživatele. Na obrázku je naznačen způsob generování kopie družicového signálu.



Pokud je tvar ge-nerovaných signálů sa-telitů znám (kódy družic), lze pomocí výběru příslušné kopie pro danou družici a její korelace se vstupním signálem získat zdánli-vé zpoždění pro výpo-čet zdánlivé vzdále-nosti.



Kódy jednotlivých satelitů mohou být vhodně vybranými pseu-donáhodnými posloupnostmi, které jsou pomocí zvolené číslicové modulace (např. BPSK) namodulovány na nosnou frekvenci. Při nízkých hodnotách vzájemných korelacích jednotlivých kódů může být použita stejná nosná frekvence pro všechny družice systému, který pak pracuje se signálem s rozprostřeným spektrem s přístupem CDMA.

Základní složku s podstatně menší bitovou rychlostí pak může tvořit datová posloupnost navigační zprávy. K tomu, aby kopie signálu byla synchronní se signálem přijímaným, je třeba řídit generátor kopií signálů napětím u(e), jehož velikost a znaménko odpovídá velikosti a smyslu potřebného posunu e.



Napětí u(e) se získává pomocí diskriminátoru zpoždění, jehož hlavním prvkem je soustava korelátor.



Korelátor vytváří součet (integrál) součinů hodnot přijímaného signálu s hodnotami kopie signálu vysílaného družicí. Tato kopie se generuje v přijímači. Součet (integrál) součinů se nazývá korelační funkce R(e).

Hodnota korelační funkce závisí na vzájemném posunu e obou signálů a je největší, je-li jejich vzájemný posun nulový.



V diskriminátoru zpoždění je na společný vstup dvou korelátorů veden signál c(t) vysílaný družicí a zpožděný o dobu di, odpovídající vzdálenosti družice a přijímače.

Na druhé vstupy korelátorů je přiváděn signál k(t) z časové základny generující kopii vysílaného signálu. Kopie je však zpožděna o neznámou hodnotu ti proti signálu generovanému v družicovém systému.



Principielně diskriminátor zpoždění sleduje časové zpoždění odpovídající zdánlivé vzdálenosti. Aby diskriminátor zpoždění byl citlivý a pracoval bez problémů, je zřejmě žádoucí, aby korelační funkce signálu měla jedno ostré maximum. Aby bylo možné signály c(t) přenášet rádiovou cestou, je třeba je namodulovat na nosnou vlnu (viz výše), tj. vytvořit dálkoměrný signál, který lze obvykle popsat vztahem:

tftDtc c2sin

kde fc, je kmitočet nosné vlny. Pro BPSK modulaci platí:

1;1tD 1;1tc

kde c(t) je pseudonáhodný dálkoměrný kód a D(t) je tzv. navigační zpráva nesoucí informace sloužící k určení polohy družice.



Dálkoměrné signály jednotlivých družic je třeba od sebe oddělit.

Používá se:

kmitočtového multiplexu FDMA, kdy každá družice používá jiný kmitočet f nosné vlny a dálkoměrný kód c(t) může být společný

kódového multiplexu CDMA, kdy všechny družice sice vysílají na nosné vlně se stejným kmitočtem, ale rozprostírací kód c(t) je pro každou družici jiný



Pokud signál generovaný v přijímači neodpovídá signálu družice, jejíž vzdálenost je třeba měřit, je výstupní napětí korelátoru (tj. vzájemná korelační funkce dvou různých kódů c(t)) malé a přijímač se na signál družice nezasynchronizuje. Postupným generováním kopií signálů družic zajistíme měření vzdáleností k satelitům, potřebných pro výpočet polohy uživatele. Autokorelační funkce dálkoměrných kódů má jedno ostré maximum a mimo něj je malá s klesající tendencí a vzájemné korelační funkce dvou různých kódů mají velmi malou hodnotu (korelační šum).

Pseudonáhodné kódy jsou periodické a generují se podle daných algoritmů. Publikování nebo utajení algoritmu generování kódu může umožnit, ztížit nebo i znemožnit přístup uživatele do navigačního systému.


LRAR-T4: Výpočet polohy (1/7)


Polohu přijímače (uživatele) určíme řešením soustavy rovnic:

D1, D2, D3 a D4 jsou změřené pseudovzdálenosti

uuuu tczzyyxxD 21

21

211 uuuu tczzyyxxD 2

22

22

22

uuuu tczzyyxxD 23

23

233 uuuu tczzyyxxD 2

42

42

44

(x1, y1, z1) až (x4, y4, z4) jsou polohy družic v kartézské souřadné soustavě (xu, yu, zu) je hledaná poloha přijímače tu je časová diference mezi časovou základnou přijímače a synchronní základnou družic c je rychlost šíření elektromagnetické vlny (c = 299792458 m/s)



Metoda rozvoje do Taylorovy řady pro odhad řešení

Je nutno řešit soustavu 4 nelineárních rovnic

Zvolíme odhad řešení:

kde symboly se stříškou jsou odhady

pro i = 1, 2, 3 a 4

Odhad časové diference je výhodné volit z hlediska naměřených pseudovzdáleností a konstelace družic tak, aby přibližně odpovídal skutečné situaci, tj. např. nejkratšímu možnému časovému zpoždění pro družici v hadhlavníku – vzdálenost k družici je rovna konstelační výšce

uuiuiuii tczzyyxxD ˆˆˆˆˆ 222



Dohady pseudovzdáleností lze pro dané polohy družic a zvolené odhady polohy a časové diference dopočítat. Předpokládané řešení pro hledané parametry polohy (xu, zu, yu) a časovou diferenci základen tu bude vykazovat specifickou odchylku:

Funkce pro změřené pseudovzdálenosti Di má tvar:

uuu xxx ˆ uuu yyy ˆ uuu zzz ˆ uuu ttt ˆ

uuuuuuuuiiiuuuuiiii ttzzyyxxzyxftzyxzyxfD ˆ,ˆ,ˆ,ˆ,,,,,,,,,

Její řešení pomocí Tailorova rozvoje (v okolí odhadu):

u

uu

u

uu

uu

uuuuuuuuiii

tt

fzz

f

yy

fx

xf

fttzzyyxxzyxf

ˆˆ

ˆˆˆ,ˆ,ˆ,ˆ,,,



kde

Tedy funkce závislá jak na poloze družic, tak i odhadu polohy přijímače a odhadu diference časových základen

pro i = 1, 2, 3 a 4

Pro zjednodušení řešení lze počítat v Taylorově rozvoji pouze parciální derivace prvních řádů

uuuuiii tzyxzyxff ˆ,ˆ,ˆ,ˆ,,,

xi

i

ui

u

Ar

xxx

f

ˆˆ

ˆ

yii

ui

u

Ar

yyy

f

ˆˆ

ˆ

zii

ui

u

Ar

zzz

f

ˆˆ

ˆ

ct

f

u

ˆ

kde 222 ˆˆˆˆ uiuiuii zzyyxxr



Nový přiblížený výsledek pak použijeme jako nový odhad polohy s následným opakováním předchozího postupu tak dlouho dokud diference mezi předchozím a následným odhadem nesplní kritérium požadované přesnosti

Zjednodušením aplikace parciálních derivací prvních řádů sice přesné řešení nezískáme, ale přiblížíme se k řešení.



Maticově lze řešení zapsat:

V každé iteraci počítáme odchylky, dokud nejsou odchylky dostatečně malé (například lze stanovit kritérium prostorové chyby):

VHΔD

4

3

2

1

DDDD

D

iii DDD ˆ

1111

444

333

222

111

zyx

zyx

zyx

zyx

AAAAAAAAAAAA

H

u

u

u

u

tczyx

ΔV

ΔDHΔV 1

pro i = 1, 2, 3 a 4



Použití pouze 4 družic Neuvažují se chyby měření Neuvažuje se určení předchozí polohy (může být využito jako odhad polohy) Využití aplikace rozšířené Kalmanovy filtrace


LRAR-T4: Přesnost měření polohy (1/5)


Polohu přijímače (uživatele) určujeme řešením soustavy rovnic:

bDctdzzyyxx ismiiuiuiui 222

Z hlediska chyby určení polohy je třeba uvažovat chybu posuvu časové základny Δb a chybu měření zdánlivých vzdáleností Dis = Di + wi:

bwDctd iimii



Chyba wi je dána

vícecestným šířením S/N při korelačním zpracování v diskriminátoru zpoždění zbytkovým ionosferickým zpožděním zbytkovým troposferickým zpožděním nepřesně definovanou polohou družice (kepleriány) nepřesnost systémových hodin nepřesností ve výpočtech (zaokrouhlování, metody řešení tran-scendentních rovnic, aproximace) zavedením záměrného znepřesňování

Chyby měření vzdáleností jsou pro jednotlivé družice nekorelované a všechny mají stejný rozptyl σd

2.



Hodnoty chyby pro SPS a PPS

Zdroj -segment

Příčina chyby 1 chyba [m]SPS PPS

Kosmický ařídicísegment

Nepřesnost systémových hodin 1,1 1,1Nepřesnost kepleriánskýchelementů

0,8 0,8

Skupinové zpoždění L1 P(Y) – L1 C/A

0,3 -

Uživatelskýsegment

Zbytkové ionosferické zpoždění 7,0 0,1

Zbytkové troposferické zpoždění 0,2 0,2

Šum v přijímači a výpočetnínepřesnost

0,1 0,1

Vícecestné šíření 0,2 0,2Chyba celkem 7,1 1,4



Pro stanovení chyby určení polohy v místě příjmu, které jsou přepočítány do geodetických souřadnic je pak rozhodující vzájemná poloha družic a místa příjmu (chyba určení zdánlivé vzdálenosti se projeví na dané geodetické souřadnici různě – projekcí do příslušné geodetické souřadnice).

PDOPrms dHdDR 222

3

Pro efektivní hodnotu horizontální chyby ve 2D platí:

HDOPrms ddDH 22

2

Pro efektivní hodnotu radiální chyby ve 3D platí:



Pro efektivní hodnotu vertikální chyby v 1D platí:

VDOPrms dHdDV 21

Parametry DOP (Dilution Of Precision) jsou závislé na konstelaci družic vůči místu určení polohy.


LRAR-T4: GPS – NAVSTAR (1/17)

GPS NAVSTAR (Global Positioning System - Navigation System Using Time and Range) je v současnosti nejvyužívanějším navigačním systémem.

Kosmický segment tvoří 21 aktivních a 3 záložní družice SV (Space Vehicle) umístěných po 4 družicích (rozestup 60°) na šesti kruhových oběžných drahách (A-F) ve výšce 20200 km s inklinací 55.

Oběžná doba je půl siderického dne, tj.přibližně 11 h 58 min.



Kosmický segment – družice



Technologie GPS družic Block I – počáteční fáze (do 1995) – životnost cca 5 let Block II (od 1989) – životnost 7,5 roku Block IIA – upgraded ver. – 180 dní autonomní režim Block IIR – replenishment (od 1997) Block IIR-M – nové signály Block IIF- přídavná flexibilita



Technologie GPS družic

Block III – (od 2010) očekávána přesnost určení polohy pod 1 m



Řídicí segment – pozemní systémová zařízení



Signály GPS (standard)



Všechny družice GPS vysílají současně na dvou kmitočtech v pásmu L f1 = 1575,42 MHz a f2 = 1227,6 MHz v kódovém multiplexu CDMA.

tftDtPAtftDtPAtftDtCAts PPC 22111 2cos2cos2sin

kde C(t) a P(t) jsou rozprostírací pseudonáhodné kódy sloužící současně k měření pseudovzdálenosti družic a D(t) jsou data navigační zprávy. Kódy i data nabývají hodnot +1 a -1, jde tedy o modulaci s binárním fázovým klíčováním BPSK.

Signál vysílaný družicí lze popsat vztahem:



Kód C(t) je tzv. Goldův kód s periodou obsahující 1023 bitů a bitovou rychlostí 1,023 Mb/s. Je určen pro neautorizovaný přístup s hrubým měřením C/A (Coarse Acquisition) a je volně dostupný a využitelný v civilním sektoru.

Kód P(t) označuje kód přesný P (Precision) s bitovou rychlostí 10,23 Mb/s (jemnější odečet času pro měření pseudovzdálenosti). Perioda obsahuje přibližně 235 biliónů bitů, což odpovídá periodě asi 266 dnů. Využívá se však pouze sedmidenní část.

Kód P(t) je určen pouze pro autorizované uživatele, oproti kódu C(t) je vysílán na obou nosných kmitočtech, čímž lze omezit vliv ionosferické refrakce.



Na počátku 90. let byl algoritmus kódu P uvolněn a publikován.

Po uvedení systému do operačního režimu byl ze strategických důvodů 31.1.1994 kriptován na tzv. Y kód, který je součástí režimu A-S (Anti-Spoofing), jehož zavedením nepřítel nemůže imitovat družici a působit tak na určování polohy podle svých taktických záměrů.

Pro jeho využití je nutný dekriptovací klíč



Generování PRN C/A kódu

C/A kódy mají výrazné autokorelační maximum, mimo pozvolný nástup k maximu, vzájemná korelace je nízká


1023 chipů (1ms)PRNkód

PRN PRN PRN PRN PRN

0

20 period kódu (20ms)

…

01 10 0Datové bity navigační zprávy 50bps (20ms/bit)

1 chip


Vztah PRN C/A kódu a navigační zprávy


MRAR-P10: GPS – NAVSTAR (12/17)

Navigační zprávy je tvořena specifikovanými rámcem s pěti podrámci s bitovou rychlostí dat D(t) 50 bps.

První podrámec obsahuje časové údaje, informace o stavu družice a deklarované chybě, druhý a třetí podrámec obsahuje kepleriánské elementy družice pro výpočet její aktuální polohy.

Poslední dva podrámce jsou věnovány tzv. almanachu t.j. informacím o ostatních družicích systému, v každém rámci o jedné.

Aktuální informace o parametrech přijímané družice získáváme každých 30 sekund, kompletní přehled o systému pak po příjmu 25 rámců, tj. za 12,5 minuty.



Struktura navigační zprávyStruktura navigační zprávy



První slovo každého podrámce je TLM (telemetry) obsahující synchronizační sekvenci podrámce a diagnostickou zprávu řídicího segmentu.

Druhé slovo každého podrámce je HOW (handover) obsahující tzv. z-count = pořadí následujícího podrámce (počítáno od půlnoci UTC ze soboty na neděli), stavové bity a identifikaci podrámce (1-5).

Posledních 6 bitů každého slova je parita.



Vlastníkem systému je vláda USA a prvotně byl určen pro potřeby americké armády.

Vznik je datován k 17.4.1973, kdy memorandem ministerstva obrany Spojených států došlo ke sloučení pokusných programů Timation a 621B do programu GPS-NAVSTAR. Plného operačního stavu bylo dosaženo 3.3. 1994.

Systém GPS je v současné době téměř nezranitelný. Družice nových generací IIR, IIR-M a IIF jsou odolné proti elektromagnetickému impulsu při jaderném kosmickém výbuchu a mohou pracovat nejméně 180 dní v autonomním režimu. Probíhá modernizace z hlediska rozšíření signálů a služeb pro civilní aplikace.



Objekty řídícího segmentu mají zajištěn nejvyšší stupeň ochrany.

Vzhledem k výborným vlastnostem a spolehlivosti systému začal GPS prostupovat i do civilního sektoru. Koordinaci vojenských a civilních zájmů řeší na nejvyšší úrovni ministerstvo obrany a dopravy USA. Systém dovoluje zavedení metod znepřesnění určení polohy neautorizovaným uživatelům (v současné době vypnuto) nebo úplné vypnutí i lokálně.

Z důvodů řízení systému GPS bezpečnostními složkami USA jej nelze použít jako primární navigační prostředek v aplikacích se 100% spolehlivostí systému (civilní letectví), používá se pro navigaci přes oceány a pro přiblížení na přistání v kat. I.



Modernizovaný GPS Na družicích od roku 2006:

L2C signál na kmitočtu 1227,6 MHz s PRN 10230 chipů (CM – civil moderate kód) a s PRN 767250 chipů (CL – civil long kód), každá má bitovou rychlost 511,5 kb/s. Navigační zpráva 25 bps s FEC kodérem ½, tedy bitová rychlost 50 bps. L5 signál na kmitočtu 1176,45 MHz s 2 x PRN 10230 chipů (QPSK modulace, PRN ve složkách I a Q), každý má bitovou rychlost 10,23 Mb/s. V kanálu I navigační zpráva 50 bps s FEC kodérem ½, tedy bitová rychlost 100 bps. M (military) signál na kmitočtech 1575,42 MHz (L1M) a 1227,6 MHz (L2M) s PRN s bitovou rychlost 5x1,023 Mb/s. Modulace BOC(10,5) – viz dále.


LRAR-T4: GLONASS (1/4)

GLONASS (Globalnaja navigacionnaja sputnikovaja sistema) je ruský GNSS systém založený na pasivní dálkoměrné metodě. Kosmický segment (v FOC – Final Operation Capability)24 družic (21 aktivních) na kruhových drahách s výškou 19100 km (oběžná doba 11 h 15 min) ve třech rovinách s inklinací 64,8° Řídící segment

System Control Center – Golitsyno (70 km JZ od Moskvy) Cetrální synchronizační stanice – Moskva Polohové monitorovací stanice – radarové měření polohy družic, uploading - St. Peterburg, Yeniseisk, Komsomolsk Laserový monitorovací systém – přesné měření polohy družic pomocí snímání odrazu slunečního světla – Komsomolsk, Kitab Monitorovací stanice navigačních signálů – Moskva, Komso-molsk



Navigační signály družic

Všechny družice pro měření pseudovzdáleností vysílají stejné PRN: C/A - 511 kHz, 511 bitů P - 5,11 MHz, 33 mil. bitů. (tj 6,57 s – ořezáno na 1 s)

Družice odděleny kmitočtovým multiplexem FDMA ve dvou pásmech v rozsahu 1602 až 1616 MHz a v rozsahu 1246 až 1257 MHz.

Navigační zpráva 50 b/s:C/A – rámec 10 s, celá 2,5 min. P – rámec 30 s, celá 12 min.

Status (k 5.12.2011) – 23 družic v plné operabilitě, 4 uváděny do provozu, 2 v údržbě, 1 rezervní, 1 v testovací letové fázi



GLONASS status

http://www.glonass-center.ru/

http://www.glonass-center.ru/



V současné době vypouštěny družice se třetím kanálem (C/A i P) v pásmu 1190 – 1212 MHz.

V rámci projektů EUROCONTROL bylo uvažováno o využití systému GLONASS jako součásti společného evropského navigačního systému – nebylo přijato.

Na trhu se vyskytují kombinované GPS/GLONASS přijímače.


LRAR-T4: BEIDOU, Compass (1/1)

BeiDou-I (Velká medvědice) je čínský GNSS systém opět založený na pasivní dálkoměrné metodě. Kosmický segment (v FOC – Final Operation Capability) využívá 3+1 geostacionární družice s pokrytím čínského území, pracovní frekvence 2491,75 MHz

Compass (BeiDou-II) navazuje na BeiDou-I, cílem je instalace 27 družic na 3 MEO kruhové dráhy s výškou 21363 km a inklinací 56°, 5 geostacionárních družic a 3 geosynchronní dráhy (oběžná doba 23h 56min)Předpokládá globální pokrytí a aplikace jak pasivní dálkoměrné metody se signály v pásmu L (čtyři signály E1, E2, E5B, E6), tak i aktivního přístupu k družicím v pásmu S s CDMA multiplexem.Přesnost určení polohy pro civilní signály 10 m.


LRAR-T4: QZSS (1/1)

QZSS (Quasi-Zenith Satellite System) je japonský GNSS systém založený na pasivní dálkoměrné metodě s pokrytím Japonska a okolí Kosmický segment využívá HEO družice s pokrytím Japonska s elevací větší něž 70° a umožňuje jak navigační služby, tak i přenos dat, videa a audia. Součástí systému je augmentace GPS.


LRAR-T4: GALILEO (1/30)

Integrita, dostupnost a přesnost GNSS

Výběrové aplikace (letectví, doprava) vyžadují vysokou spolehlivost navigačního systému:

Integrita – včasná znalost chyby a její deklarace v systému (výpadek funkce družice, chyba v efemeridách) Dostupnost (pokrytí) – dostatečné pokrytí potřebným počtem družic (např. při 1 družici mimo provoz klesne globální průměr dostupnosti pro průměrně významnou družici ze 100% na 99,93%)

Přesnost – dostatečná přesnost získané polohy (v letectví je kritická chyba výšky)



Projekt GNSS I

EGNOS = European Geostationary Navigation Overlay Service



GNSS I – pozemní systémy



GNSS schéma



Sítě referenčních stanicSítě referenčních stanic SBAS (Satellite-based augmentation systems)



Korekce jsou distribuovány:

Internet Geostacionární družice IOR-W, AOR-E a EGNOS ESA ARTEMIS (frekvence GPS L1, 1575.42 MHz, CDMA, odlišeny pomocí PRN, specifický datový formát)

Status GNSS I

Základní systém je realizován

Novější komerční přijímače umožňují příjem WAAS korekcí (v menu aktivace WAAS)



GALILEO je společný projekt Evropské unie (EU) a Evropské kosmické společnosti (ESA).

Úkol je vybudovat evropský navigační systém jako alternativu k americkému systému GPS a ruskému GLONNASu.

Vývoj evropského navigačního systému začal na začátku 90. let minulého století globálním satelitním navigačním systémem první generace na bázi SBAS systému s WAAS (GNSS-I) EGNOS.

Ve druhé (současné) fázi je systém doplňován navigačními družicemi GALILEO (GNSS-II).



Kosmický segment

Architektura systému GALILEO

30 družic (27 aktivních) s výškou 23, 222 km nad Zemí (MEO) na 3 orbitách s excentricitou 0.002 a inklinací i = 56° po 120 °.

Na každé orbitě obíhá 10 pravidelně rozmístěných družic, přičemž vždy jedna z 10 družic je záložní.

Použitá konstelace poskytuje 100% pokrytí zemského povrchu s minimálním počtem družic.

Model geoidu GTFR (GALILEO Terrestrial Reference System). Orientace družic systému GALILEO udržována pomocí tříosé stabilizace polohy.



Solární panely družice svou efektivní plochou orientovány směrem ke Slunci pomocí AOCS (Attitude and Orbital Control System) s křemíkovými články s vysokou účinností s plochou 14 m2 poskytují výkon 1500 W.

Primárními zdroji družic systému GALILEO Li-Ion baterie.

Hmotnost družice 680 kg při rozměrech 2.7 m x 1.2 m x 1.1 m.

Životnost družice vyšší než 12 let.



Pozemní (řídící) segment

GCS (Ground Control Segment)

GMS (Ground Mission Segment)

Pomocí globální sítě senzorových stanic GSS (GALILEO Sensor Stations) budou permanentně monitorovány a měřeny signály systému GALIEO.

Globální síť TT&C (Telemetry, Tracking and Telecommand) stanic pracující v pásmu S bude sloužit pro kontrolu funkce družic a konstelace.



Síť uplink stanic (ULSs) bude plnit navigační služby zajišťovat integritu a službu SAR Propojení pomocí vysokorychlostních komunikačních sítí

Dvě geograficky redundantní senzorové stanice pro centralizova-né zpracování, monitorování a kontrolu.



Uživatelský segment – služby:

Open Service (OS) – služba bude poskytovat informace o poloze, času a rychlosti. Je zaměřena pro široké využití, zejména pro automobilovou navigaci a k implementaci do mobilních telefonů. Bude poskytována bezplatně.

Safety of Life (SOL) – služba je určena pro uživatele, u nichž je nutné garantovat kvalitu služby. Najde využití například v námořní, železniční nebo letecké dopravě. Je doplněna včasnými upozorněním uživatele, v případě možnosti zhoršení kvality služeb.



Commercial Service (CS) – služba poskytuje přístup k přídavným signálům, které zajistí možnost větší přenosové rychlosti a vyšší přesnosti navigace. Tyto signály budou šifrované. Dále tato služba bude komerčně nabízena poskytovatelům např. předpovědí počasí, informací o dopravě apod.

Public Regulated Service (PRS) – služba bude poskytnuta pouze vládou autorizovaným uživatelům, kteří vyžadují vysokou úroveň zabezpečení. PRS signály budou kódovány. Přístup k této službě bude kontrolován vládou schváleným bezpečnostním mechanismem.



Support to Search and Rescue (SAR) Service – družice systému GALILEO budou vybaveny transpondéry, které budou schopny přenášet pohotovostní signály např. z lodí, letadel do mezinárodních záchranných center.



6 signálů pro navigaci s RHCP ve pásmech 1,164 – 1,215 MHz (E5 band) 1,216 – 1,300 MHz (E6 band) 1,559 – 1,592 MHz (E2-L1-E1 band)

Signál družic GALILEO

Frekvenční plán byl navržen s ohledem na následující požadavky:

Přenos širokopásmových signálů v pásmu L umožňující přesné určení polohy Minimální interference s již existujícími navigačními systémy (GPS, GLONASS) Interoperatibilita se systémem GPS Oddělení civilních, vojenských a jiných speciálních služeb



Spektrum v alokovaných GNSS pásmech



Družice využívají stejné nosné frekvence a jsou vzájemně rozlišeny pomocí kódových sekvencí (CDMA).

Každá družice vysílá 6 navigačních signálů:

L1F signál: volně přístupný všem uživatelům systému, zahrnuje nešifrovaný datový kanál s navigačními daty a pilotní kanál, datová rychlost 125 b/s, využíván OS, SOL službou a případně komerčními službami. L1P signál: šifrovaný pouze PRS služby.

E6C signál: pro komerční účely, datový a pilotní kanál, navigační data mohou být získána pouze dešifrováním pomocí komerčních algoritmů, přenosová rychlost dat je 500 bps, využíván pouze CS službou.



E6P signál: šifrovaný, využíván pouze službou PRS.

E5a signál: volně přístupný, zahrnuje datový a pilotní kanál, obsahuje nešifrovaná navigační data s přenosovou rychlostí 25 bps, využíván OS službou.

E5b signál: volně přístupný, datový a pilotní kanál, navigační data nešifrovaná, datový tok E5b signálu bude dále obsahovat zašifrovaná komerční data pro OS, SOL a komerční služby systému.



Navigační a datové zprávy Navigační a časová data jsou generována v GALILEO GMS (Ground Mission Segment) a poskytována dále všem družicím přes datové kanály Integritní data jsou generována v GALILEO GMS a dále rozeslána do všech družic přes datové kanály signálů E5b a L1F

Komerční data od externích poskytovatelů, která před odesláním na družice budou koordinována s GALILEO Control Center (GCC). Uživatelé budou mít k těmto datům přístup přes službu CS. Využívány budou datové kanály signálů E5b, E6C a L1F

PRS data jsou vysílána pomocí E6P a L1P signálů



Navigační zprávy jsou vysílány přes datové jako sekvence superrámců. Podrámec je základním stavebním kamenem navigační zprávy a obsahuje následující pole:

Synchronizační slovo nazvané unique word (UW) Bity kontrolního součtu (CRC) pro detekci chyb Tail bity pro FEC kodér (jsou nastaveny na nulu)

Všechny podrámce budou kódovány FEC konvolučním kodérem s kódovým poměrem 1/2 a dále budou blokově prokládány.



kde {ak} jsou prvky rozprostírací sekvence PRN a gBPSK-R(t) je energeticky normalizovaný rozprostírací symbol BPSK-R:

kcRBPSKkRBPSK kTtgats )()(

Modulační techniky družic GALILEO

modulace s rozprostřením spektra signálu DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum), PRN Goldovy kódy BPSK-R (BPSK- Rectangular chips) je modulační technika založená na rozprostření BPSK signálu pomocí obdélníkových rozprostíracích sekvencí.

BPSK-R signál lze v základním pásmu popsat rovnicí:



jindeTtTtg cc

RBPSK ,00,/1)(

kde Tc je chipová perioda.

Obvykle je volena jako celočíselný n násobek chipové frekvence 1.023 MHz a modulace je pak označena jako BPSK-R (n). Tyto chipové frekvence jsou využívány v systémech GALILEO i GPS.



BOC (Binary Offset Carrier) je modulační technika založená na DSSS, kterou lze považovat za rozšíření BPSK-R s rozprostíracími sekvencemi násobenými opět obdélníkovými sekvencemi s frekvencí několikrát vyšší. Počet půlperiod „hustší“ rozprostírací sekvence (subnosné) v původním rozprostíracím symbolu je dán:

s

c

TT

k

kde Ts = 1/(2fs) je půlperioda obdélníkové subnosné generované s frekvencí fs. Rozprostírací symbol modulace BOC lze pro sudé k napsat jako:



)/sin(sgn)()( sRBPSKBOC Tttgtg

kde je volitelný fázový posun. Je-li zvoleno = 0° (resp. = 90°) pak hovoříme o sin phased BOC (resp. cos phased BOC) a značíme dolním indexem BOCS (resp. BOCC).

Označení BOC(m, n) znamená BOC modulace s m x 1.023 MHz frekvencí subnosné a s n x 1.023 MHz chipovou frekvencí.



-8fc -6fc -4fc -2fc 0 2fc 4fc 6fc 8fc0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1Funkce spektralni vykonove hustoty BPSK-R

S(f)

Funkce spektrální výkonové hustoty BPSK-R




0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45Funkce spektralni vykonove hustoty cos-phased BOC

S(f)

k = 4

Funkce spektrální výkonové hustoty BOCC




0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45Funkce spektralni vykonove hustoty sin-phased BOC

k = 4

Funkce spektrální výkonové hustoty BOCS



Frekvenční pásmo Kanál Typ modulace Chipová rychlost

Symbolová rychlost

E5a data 50 spsE5a pilot N/AE5b data 250 spsE5b pilot N/A

E6P BOCc(10, 5) 5.115 Mchip/s nestanovenoE6C data 1000 spsE6C pilot N/A

L1P BOCc(15,2. 5) 2.5575 Mchip/s nestanovenoL1F data 250 spsL1F pilot N/A

BOCs(1, 1) 1.023 Mchip/sE2-L1-E1

E5 AltBOC(15, 10) 10.23 Mchip/s

BPSK-R(5) 5.115 Mchip/sE6

Modulační techniky v jednotlivých kanálech



Spektrum v alokovaných GNSS pásmech



Status

Vypuštěny první dvě testovací družice systému GALILEO GIOVE-A (2005) a GIOVE-B (2008), proběhlo testování

20.10.2011 vypuštěny první dvě operační družice, probíhá testování signálů, v první polovině 2012 přibude 3. a 4. družice


LRAR-T4: GNSS aplikace (1/1)

vojenské aplikace námořní doprava civilní letectví pozemní doprava ADS, CNS geodézie (aplikace geolitů) geofyzika zemědělství ochrana přírody turistika měření úhlů frekvenční normály, měření času


LRAR-T4: Diferenční měření (1/4)

Podstatného zlepšení přesnosti GNSS lze dosáhnout opravou naměřených vzdáleností – především eliminace ionosferického zpoždění a případného záměrného znepřesňování

Do bodu se známými přesnými souřadnicemi umístíme speciální přijímač GNSS (referenční stanici) a porovnáváme skutečnou a naměřenou polohu. Z porovnání získáváme opravy měřených zdánlivých vzdáleností. Tyto opravy přenášíme k navigačním přijímačům uživatelů vhodnou komunikační linkou. Přijímače uživatelů opravují naměřené údaje a určují polohu.

Tato metoda se nazývá diferenční GNSS (DGNSS nebo DGPS) .



Formát oprav a doporučení pro jejich přenos byly navrženy v dokumentu RTCM.

Různé prameny uvádějí různou přesnost, která se použitím DGPS dosáhne. Oficiální materiál STANAG 4294 uvádí, že s pravděpodobností 0,95 lze pro PPS uživatele dosáhnout pomocí DGPS horizontální chyby 5 m, vertikální 8 m. Uživatelé SPS dosáhnou horizontální chyby 20 m a vertikální chyby 32 m.

Otázkou je vliv SA na diferenční GPS. Z principu je zřejmé, že DGPS bude kompensovat SA. V případě ohrožení bezpečnosti USA podle komentáře k Federálnímu radionavigačnímu plánu má dojít k úplnému vypnutí systému v C/A módu (invaze v Iráku).



Nevýhodou DGNSS je omezené krytí. Opravy účinně zvyšují přesnost v okruhu do 400 km od referenční stanice.

Přesnost DGPS závisí rovněž na době, která uplynula od získání korekcí. Korekce jsou použitelné asi do 15 s od jejich získání.

Pokud není nutné provádět měření polohy v reálném čase (tj. např. v geodézii), není ani nezbytně nutné opravy přenášet, ale hodnoty naměřené referenční stanicí a uživatelským přijímačem se vhodně uloží a později (off line) zpracují.

Lze taktéž realizovat rozsáhlé sítě referenčních stanic pro GPS – geodetická síť WAAS v USA, geostac. družice (EGNOS) a nové GPS družice doplněny kanálem s AGPS (celoplošné vysílání korekcí).



Distribuční funkce pravděpodobnosti s SA, bez SA, difer. bez SA)


LRAR-T4: GNSS přijímače (1/7)

Struktura přijímače GNSS

Uživatelské zařízení, přijímač GNSS zpracovává signály družic a na jeho výstupu získáváme polohové souřadnice.

GNSS přijímač tvoří anténa navigační přijímač navigační počítač

Na výstupu navigačního přijímače dostáváme zdánlivé vzdálenosti a další signály, z nichž získáváme v navigačním počítači polohu.



Navigační přijímač tvoří

vstupní jednotka časová základna, která navigační přijímač řídí jeden nebo několik meřících přijímačů

Měřící přijímač zpracovává signál tak, abychom získali zdánlivé vzdálenosti a data tvořící navigační zprávu, kterou družice vysílá.

Získání zdánlivých vzdáleností alespoň od čtyř družic spolu s potřebnými daty zajistíme použitím některé ze tří možných konfigurací navigačního přijímače.



Blokové schéma GNSS přijímače



Architektura přijímačů sekvenční (do cca 1998) multikanálové (geodézie, vysoká přesnost, vyšší cena) multiplexní (nízká cena, menší přesnost, nižší spotřeba)

GNSS přijímače



GNSS antény



NMEA-0183 Protokol pro komunikaci s GNSS přijímačem prostřednictvím sériového rozhraní (např. RS232)

NMEA = National Marine Electronics Association

Konfigurace sériového rozhraní: 4800 bps, 8 datových bitů, bez parity, 1 stop bit, bez handshakingu, varianta NMEA-0183HS 38400 bps

Zpráva začíná znakem $, následuje pětiznakový identifikátor zprávy a za ním čárkou oddělené parametry, kontrolní součet, zakončení CR/LF, bez $ a CR/LF max. 80 znaků



příklad RMB zpráva

‘GP’ = GPS (‘GL’ = GLONASS) RMB = Recommended Minimum Navigation Information)$GPRMB,A,0.66,L,003,004,4917.24,N,12309.57,W,001.3,052.5,000.5,V*20 A status dat (A = OK)0.66,L Cross-track error (v mílích, 9,99 max), směr vlevo003 počáteční trasový bod (waypoint)004 cílový trasový bod4917.24,N zem. šířka cílového bodu, 49 deg. 17,24 min. N 12309.57,W zem. délka cílového bodu 123 deg. 09,57 min. W 001.3 vzdálenost k cíli (v mílích 999.9 max) 052.5 směr k cíli (azimutální ve stupních) 000.5 rychlost vůči cíli (radiální v uzlech)A status příjmu (A = OK)*20 kontrolní součet


Děkuji za vaši pozornost

ANIMACE POHYBU GPS DRUŽIC

Documents

LRAR – Radioloka ční a radionaviga ční systémy