PŘEDNÁŠKA 11

PŘEDNÁŠKA 11

MRAR – Radiolokační a radionavigační systémy

Jiří Šebesta

Ústav radioelektroniky FEKT VUT v Brně

4.12. 2015

15.12.2014 Radionavigační systémy strana 2

MRAR: PŘEDNÁŠKA 11.

GPS NAVSTAR GLONASS BeiDou, Compass QZSS GALILEO

TÉMA: DRUZICOVÉ NAVIGAČNÍ SYSTÉMY II.


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.



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



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.


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



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/








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.


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.


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.


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)



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:



jinde

TtTtg cc

RBPSK,0

0,/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

T

Tk

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. = /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.



Funkce spektrální výkonové hustoty BPSK-R

kcRBPSKkRBPSK kTtgats )()(

jinde,0

0,/1)( cc

RBPSK

TtTtg

ccRBPSK TfTAfS 22 sinc)(



sRBPSKSBOC T

ttgtg

cossgn)()(

jinde,0

0,/1)( cc

RBPSK

TtTtg 4

s

c

T

Tk

lichépro2

tgcos

4

sudépro2

tgsinc

)(2

2

2

22

kf

f

Tf

TfT

kf

fTfT

fS

sc

cc

scc

SBOC

Funkce spektrální výkonové hustoty BOCS



Funkce spektrální výkonové hustoty BOCC

2

cossgn)()(

sRBPSKCBOC T

ttgtg 4

s

c

T

Tk

jinde,0

0,/1)( cc

RBPSK

TtTtg

lichépro

2cos

4sin

cos4

sudépro

2cos

4sin

sinc4

)( 2

2

2

2

2

2

2

k

ff

ff

Tf

TfT

k

ff

ff

TfT

fS

s

s

c

cc

s

scc

CBOC



Frekvenční pásmo

Kanál Typ modulace Chipová rychlostSymbolová

rychlost

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

E6P BOCc(10, 5) 5.115 Mchip/s nestanoveno

E6C data 1000 spsE6C pilot N/A

L1P BOCc(15,2. 5) 2.5575 Mchip/s nestanoveno

L1F 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, 12.10. 2012 přibyla 3. a 4. družice – fáze testování


Děkuji za vaši pozornost

GPS III. GIOVE (GALILEO)

GLONASS DHF-3 (BEIDOU 1)

Documents

PŘEDNÁŠKA 11