close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Mikhailov 018BD4A10E

код для вставкиСкачать
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ
СПУТНИКОВЫЕ СИСТЕМЫ
РАДИОНАВИГАЦИИ
Методические рекомендации к выполнению лабораторных работ
Структура сигнала GPS
Санкт-Петербург
2013
Составитель кандидат физико-математических наук Н. В. Михайлов
Рецензент
кандидат технических наук, доцент ГУАП А. А. Хоменко
Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине
«Спутниковые системы радионавигации» предназначены для студентов V курса
ГУАП и составлены согласно рабочей программе дисциплины, разработанной
в соответствии с требованиями Государственного образовательного стандарта
высшего профессионального образования по направлению и специальности подготовки дипломированных специалистов: 210601 – Радиоэлектронные системы
и комплексы.
В методических указаниях к выполнению лабораторной работы № 1 рассматриваются основные теоретические положения спутниковой навигации, структура
сигнала GPS и методика проведения исследования компонентов сигнала GPS
в виртуальной лабораторной работе.
Рассмотрено на заседании кафедры Бортовой радиоэлектронной аппаратуры
10 июня 2013 г. Одобрено учебно-методическим советом института радиотехники, электроники и связи 17 июня 2013 г.
В авторской редакции
Верстальщик И. Н. Мороз
Сдано в набор 14.10.13. Подписано к печати 30.10.13.
Формат 60×841/16. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 0,70.
Уч.-изд. л. 0,75. Тираж 100 экз. Заказ №  550.
Редакционно-издательский центр ГУАП
190000, Санкт-Петербург, Б. Морская ул., 67
© Санкт-Петербургский государственный
университет аэрокосмического
приборостроения (ГУАП), 2013
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Изучение принципа действия спутниковых радионавигационных систем и исследование характеристик гражданского сигнала системы GPS.
ОСНОВЫ ТЕОРИИ
Понятие навигационной задачи
Навигационная задача, решаемая радионавигационным приемником,
заключается в определении пространственно-временных координат потребителя, а также составляющих его скорости [1], поэтому в результате решения навигационной задачи должен быть определен расширенный вектор
состояния потребителя Π, который в инерциальной системе координат
можно представить в виде [2], [3]
Π = x, y, z , t ', x , y , z .
T
(1)
где x, y, z – пространственные координаты потребителя;
t′ – поправка шкалы времени потребителя относительно системной
шкалы времени;
ẋ, ẏ, ż – составляющие вектора скорости.
Радионавигационный приемник измеряет два радионавигационных
параметра – задержку распространения сигнала и доплеровское смещение
несущей частоты сигнала, которые связаны с навигационными параметрами следующими соотношениями:
D = cτ .
(2)
где D – расстояние между потребителем и КА;
c – скорость света;
3
τ – задержка распространения сигнала;
и
wλ
Vr = d ,
2π
где Vr – радиальная скорость сближения потребителя и КА;
ωd – доплеровское смещение несущей частоты;
λ – длина волны несущей частоты.
(3)
Модель сигнала GPS
Сигнал, излучаемый космическим аппаратом (КА), может быть записан в виде [2], [3]
x(t ) = Ad ( t ) c ( t - ts ) cos (ω0t + ϕ0 ) ,
(4)
где A– амплитуда сигнала;
d(t)– навигационное сообщение;
c(t – ts)– псевдослучайная последовательность (ПСП);
ts – фаза ПСП;
ω0 – круговая частота несущей частоты;
φ0 – начальная фаза несущей частоты.
Рассмотрим подробнее составляющие сигнала из (4) на примере гражданского сигнала L1 С/A GPS. Сигнал включает в себя три компоненты –
несущую, навигационное сообщение и ПСП. (Амплитуда сигнала относится к неинформационным параметрам и далее не рассматривается). Несущая частота составляет 1575.42 МГц, длина волны несущей составляет
около 19 см. Несущая подвергается фазовой манипуляции двумя двоичными последовательностями: навигационным сообщением и ПСП, также
называемой кодом. Фазоманипулированные сигналы обеспечивают высокую помехоустойчивость. Повышенная скрытность работы с фазоманипулированными сигналами обеспечивается тем, что при равных мощностях и
длительности сигнала (т. е. при равных энергиях) спектральная плотность
мощности фазоманипулированного сигнала меньше, чем у аналогичного
сигнала без фазовой манипуляции.
Навигационное сообщение и ПСП синхронизированы друг с другом –
символы навигационного сообщения начинаются синхронно с символами
ПСП. Навигационное сообщение и ПСП складываются по модулю 2
(см. рис. 1) и результирующая последовательность используется для фазовой манипуляции несущей.
Навигационное сообщение принимает значения +1 и –1 с частотой
50 Гц, т.е. длина информационного символа составляет 20 мс. ПСП представляет собой 1023-символьную последовательность, которая является
4
реализацией кода Голда и повторяется каждую миллисекунду. Длина символа ПСП составляет 1/1023мс, для простоты изложения ее можно положить равной 1 мкс. Частота следования символов ПСП составляет,
1.023 МСимволов/с. На рис. 2 приведены три компоненты сигнала GPS
и их периоды (частоты следования).
Рис. 1. Навигационные данные и ПСП (код)
Рис. 2. Три компоненты сигнала GPS ([1])
5
Можно показать ([1], [2]), что огибающая спектра ПСП представляет
собой набор гармоник, отстоящих друг от друга на частоту 1 кГц, амплитуда которых модулирована функцией вида sin(x)/x, с первым нулем
в 1.023 МГц. На рис. 3 представлен общий вид спектра ПСП, а на
рис. 4 – увеличенная часть спектра около первого нуля огибающей спектра, показывающая линейчатый характер спектра.
В качестве ПСП для GPS используется код Голда длиной 1023. В этом
случае боковые лепестки нормированной автокорреляционной функции
принимают три значения
,
. На рис. 5 показан вид автокорреляционной функции кода Голда, виден острый пик, чье нормированное значение равно единице, и боковые лепестки, принимающие одно из
трех указанных выше значений.
Сигнал на входе навигационного приемника испытывает доплеровский
сдвиг частоты, вызванный взаимным движением КА и потребителя
и может быть представлен в виде
y (t ) = Ad ( t ) c ( t - ts ) cos (ω0t + ωd t + ϕ0 ) + v(t),
(5)
где v(t) – помеха. Обычно помеху полагают белым гауссовым шумом
с нулевым средним.
Нормированный спектр
1
1000–1050 кГц (см.
следующий рисунок)
0
-2046
-1023
0
1023
Частота, кГц
Рис. 3. Спектр ПСП (общий вид)
6
2046
Нормированная мощность
0.0004
0.0002
0.0000
1000 1005 1010 1015 1020 1025 1030 1035 1040 1045 1050
Частота, кГц
Рис. 4. Спектр ПСП (линейчатый характер)
Рис. 5. Пример автокорреляционной функции ПСП
Таким образом, задача синтеза системы обработки формулируется как
отыскание такой системы, которая в результате обработки наблюдений (5)
в каждый текущий момент времени формирует оценку вектора потребителя (1).
7
ОПИСАНИЕ ВИРТУАЛЬНОЙ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ
Виртуальная лабораторная работа представляет собой сайт в сети
Интернет. На том же сайте размещены пояснения к виртуальной лабораторной работе, представляющие собой видеоролик, и указания по выполнению лабораторной работы (см. порядок выполнения лабораторной
работы).
На первом занятии курса «Спутниковые системы радионавигации»
каждому студенту выдается пароль для доступа к сайту
http://lab.satnav.spb.ru//. Для получения пароля, а также по всем вопросам,
связанным с доступом к сайту, обращаться по электронной почте
boss@satnav.spb.ru
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ
1. Открыть сайт виртуальной лабораторной работы
http://lab.satnav.spb.ru/index.php?page=GPSSignal/GPSSignal.html,
2. Открыть раздел «Методические указания»
(http://lab.satnav.spb.ru/index.php?page=GPSSignal/GPSSignalLearn.html)
3. Изучить пояснения к лабораторной работе, запустив видеоролик
http://lab.satnav.spb.ru/index.php?page=GPSSignal/GPSSignalLearn.html#tabs-1
4. Выполнить лабораторную работу в соответствии с указаниями
по выполнению
http://lab.satnav.spb.ru/index.php?page=GPSSignal/GPSSignalLearn.html#tabs-2
8
СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
Защита представляет собой обсуждение с преподавателем результатов,
полученных во время выполнения лабораторной работы. Письменный отчет по лабораторной работе не требуется. Все действия студента во время
выполнения лабораторной работы записываются и могут быть воспроизведены преподавателем в процессе защиты лабораторной работы. На защите
студенту необходимо ответить на вопросы, содержащиеся в указаниях
к выполнению, а также объяснить физический смысл эффектов, которые
наблюдались в процессе выполнения лабораторной работы.
Литература
1. Харисов В. Н. Перов А. И., Болдин В. А. Глобальная Спутниковая
Радионавигационная Система ГЛОНАСС –4 М.: Радиотехника, 2010.
2. Misra P., Enge P., Global Positioning System: Signals, Measurements,
and Performance, Ganga-Jumuna Press, Lincoln, Massachusetts, 2006.
3. Kaplan E. (Editor). Understanding GPS: Principles and Applications,
Artech House Telecommunications Library, 1996. Р. 198.
9
СОДЕРЖАНИЕ
Цель работы ......................................................................................................... 3
Основы теории ..................................................................................................... 3
Понятие навигационной задачи ................................................................. 3
Модель сигнала GPS ................................................................................... 4
Описание виртуальной лабораторной работы ................................................. 8
Порядок выполнения лабораторной работы .................................................... 8
Содержание отчета .............................................................................................. 9
Литература ........................................................................................................... 9
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
861 Кб
Теги
mikhailov, 018bd4a10e
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа