1 / 56

PŘEDNÁŠKA 11 .

MRAR – Radioloka ční a radionaviga ční systémy. PŘEDNÁŠKA 11. 10 . 12 .20 13. Jiří Šebesta Ústav radioelektroniky FEKT VUT v Brně. MRAR : PŘEDNÁŠKA 11. TÉMA: DRUZICOV É NAVIGAČNÍ SYSTÉMY I I. GPS NAVSTAR GLONASS BeiDou, Compass QZSS GALILEO. MRAR-P1 1: GPS – NAVSTAR (1/17).

hasana
Download Presentation

PŘEDNÁŠKA 11 .

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. MRAR – Radiolokační a radionavigační systémy PŘEDNÁŠKA 11. 10.12.2013 Jiří Šebesta Ústav radioelektroniky FEKT VUT v Brně

  2. MRAR:PŘEDNÁŠKA 11. TÉMA:DRUZICOVÉ NAVIGAČNÍ SYSTÉMY II. • GPS NAVSTAR • GLONASS • BeiDou, Compass • QZSS • GALILEO Radionavigační systémy

  3. MRAR-P11: 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. Radionavigační systémy

  4. MRAR-P11: GPS – NAVSTAR (2/17) Kosmický segment – družice Radionavigační systémy

  5. MRAR-P11: GPS – NAVSTAR (3/17) 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  Radionavigační systémy

  6. MRAR-P11: GPS – NAVSTAR (4/17) Technologie GPS družic • Block III – (od 2010) očekávána přesnost určení polohy pod 1 m Radionavigační systémy

  7. MRAR-P11: GPS – NAVSTAR (5/17) Řídicí segment – pozemní systémová zařízení Radionavigační systémy

  8. MRAR-P11: GPS – NAVSTAR (6/17)  Signály GPS (standard) Radionavigační systémy

  9. MRAR-P11: GPS – NAVSTAR (7/17) • Všechny družice GPS vysílají současně na dvou kmitočtech v pásmu Lf1 = 1575,42 MHz a f2 = 1227,6 MHz v kódovém multiplexu CDMA. • Signál vysílaný družicí lze popsat vztahem: kde C(t) a P(t)jsou rozprostírací pseudonáhodné kódy sloužící současně k měření pseudovzdálenosti družic a D(t)jsoudata navigační zprávy. Kódy i data nabývají hodnot +1 a -1, jde tedy o modulaci s binárním fázovým klíčováním BPSK. Radionavigační systémy

  10. MRAR-P11: GPS – NAVSTAR (8/17) • 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. Radionavigační systémy

  11. MRAR-P11: GPS – NAVSTAR (9/17) • 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 Radionavigační systémy

  12. MRAR-P11: GPS – NAVSTAR (10/17) Generování PRN C/A kódu C/A kódy mají výrazné autokorelační maximum, mimo pozvolný nástup k maximu, vzájemná korelace je nízká Radionavigační systémy

  13. MRAR-P11: GPS – NAVSTAR (11/17) Vztah PRN C/A kódu a navigační zprávy 1023 chipů (1ms) PRN kód 1 chip PRN PRN PRN PRN … PRN 20 period kódu (20ms) Datové bity navigační zprávy 0 0 1 0 1 0 50bps (20ms/bit) Radionavigační systémy

  14. 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. Radionavigační systémy

  15. MRAR-P10: GPS – NAVSTAR (13/17) Struktura navigační zprávy Radionavigační systémy

  16. MRAR-P10: GPS – NAVSTAR (14/17)  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. Radionavigační systémy

  17. MRAR-P10: GPS – NAVSTAR (15/17) • 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. Radionavigační systémy

  18. MRAR-P10: GPS – NAVSTAR (16/17) • 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. Radionavigační systémy

  19. MRAR-P10: GPS – NAVSTAR (17/17) • 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. Radionavigační systémy

  20. MRAR-P11: 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 Radionavigační systémy

  21. MRAR-P11: GLONASS (2/4) • Navigační signály družic • Družice odděleny kmitočtovým multiplexem FDMA ve dvou pásmech v rozsahu 1602 až 1616 MHz a v rozsahu 1246 až 1257 MHz. •  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) •  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 Radionavigační systémy

  22. MRAR-P11: GLONASS (3/4) • GLONASS status http://www.glonass-center.ru/ Radionavigační systémy

  23. MRAR-P11: GLONASS (4/4)  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. Radionavigační systémy

  24. MRAR-P11: 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. Radionavigační systémy

  25. MRAR-P11: 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. Radionavigační systémy

  26. MRAR-P11: 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) Radionavigační systémy

  27. MRAR-P11: GALILEO (2/30)  Projekt GNSS I  EGNOS= European Geostationary Navigation Overlay Service Radionavigační systémy

  28. MRAR-P11: GALILEO (3/30)  GNSS I – pozemní systémy Radionavigační systémy

  29. MRAR-P11: GALILEO (4/30)  GNSS schéma Radionavigační systémy

  30. MRAR-P11: GALILEO (5/30)  Sítě referenčních stanicSBAS (Satellite-based augmentationsystems) Radionavigační systémy

  31. MRAR-P11: GALILEO (6/30)  Status GNSS I • Základní systém je realizován • 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) • Novější komerční přijímače umožňují příjem WAAS korekcí (v menu aktivace WAAS) Radionavigační systémy

  32. MRAR-P11: GALILEO (7/30)  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). Radionavigační systémy

  33. MRAR-P11: GALILEO (8/30)  Architektura systému GALILEO • Kosmický segment • 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. Radionavigační systémy

  34. MRAR-P11: GALILEO (9/30) • Solární panely družice svou efektivní plochou orientovány směrem ke Sluncipomocí 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. Radionavigační systémy

  35. MRAR-P11: GALILEO (10/30)  Pozemní (řídící) segment •  GCS (Ground Control Segment) •  GMS (Ground Mission Segment) •  Pomocí globální sítě senzorových stanicGSS (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. Radionavigační systémy

  36. MRAR-P11: GALILEO (11/30) •  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. Radionavigační systémy

  37. MRAR-P11: GALILEO (12/30)  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. Radionavigační systémy

  38. MRAR-P11: GALILEO (13/30) •  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. Radionavigační systémy

  39. MRAR-P11: GALILEO (14/30) •  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. Radionavigační systémy

  40. MRAR-P11: GALILEO (15/30)  Signál družic GALILEO • 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) • 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 Radionavigační systémy

  41. MRAR-P11: GALILEO (16/30)  Spektrum v alokovaných GNSS pásmech Radionavigační systémy

  42. MRAR-P11: GALILEO (17/30) • 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. Radionavigační systémy

  43. MRAR-P11: GALILEO (18/30) •  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. Radionavigační systémy

  44. MRAR-P11: GALILEO (19/30) • Navigační a datové zprávy • Navigační a časová datajsou generována v GALILEO GMS (Ground Mission Segment) a poskytována dále všem družicím přes datové kanály • Integritní datajsou generována v GALILEO GMS a dále rozeslána do všech družic přes datové kanály signálů E5b a L1F •  Komerční dataod 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 datajsou vysílána pomocí E6P a L1P signálů Radionavigační systémy

  45. MRAR-P11: GALILEO (20/30) •  Navigační zprávyjsou 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. Radionavigační systémy

  46. MRAR-P11: GALILEO (21/30)  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-Rsignál lze v základním pásmu popsat rovnicí: • kde {ak} jsou prvky rozprostírací sekvence PRN a gBPSK-R(t) je energeticky normalizovaný rozprostírací symbol BPSK-R: Radionavigační systémy

  47. MRAR-P11: GALILEO (22/30) • 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. Radionavigační systémy

  48. MRAR-P11: GALILEO (23/30) •  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: • kde Ts = 1/(2fs) je půlperioda obdélníkové subnosné generované s frekvencí fs. Rozprostírací symbol modulace BOC lze pro sudé k napsat jako: Radionavigační systémy

  49. MRAR-P11: GALILEO (24/30) • kde  je volitelný fázový posun. Je-li zvoleno  = 0 (resp.  = /2) 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. Radionavigační systémy

  50. MRAR-P11: GALILEO (25/30)  Funkce spektrální výkonové hustoty BPSK-R Radionavigační systémy

More Related