Обзор современных навигационных приемников космического

Обзор современных навигационных приемников космического
базирования
Александров А.В., Чистяков В.А., студенты гр.121-1, Миронов М.В., аспирант
каф. РТС
В докладе представлен обзор современных навигационных спутников космического
базирования. Выполнено сравнение технических характеристик приемников. Рассмотрен
пример работы программного приемника с помощью технологии SDR.
Введение
В настоящее время в мире существует несколько навигационных систем,
использующих искусственные спутники Земли, разнесенные на различные орбиты. Система
навигации включает в себя космический сегмент (спутники), пользовательский сегмент
(аппаратура потребителя), сегмент управления (наземные станции слежения). Аппаратура
потребителя имеет самое разное представление, начиная от простых навигационных
приемников заканчивая сотовыми телефонами с встроенной функцией, использующей
американскую спутниковую радионавигационную систему (СРНС) GPS или российскую
ГЛОНАСС. Данные приемники применяются для навигации наземных, воздушных и
морских объектов путем обработки навигационных сообщений, принимаемых со спутников.
Движение спутников и параметры их орбит отслеживаются наземными станциями
слежения, установленными в разных регионах страны. Для отслеживания большого
количества космических аппаратов, расположенных на разных орбитах, географическое
местоположение наземных систем слежения выбирается так, чтобы вся система
обеспечивала постоянную связь со всей группировкой спутников. Существующие на данный
момент системы навигации, содержат большую группировку спутников. В дальнейшем
прогнозируется увеличение количества спутников и использования различных орбит (низкои средневысотных круговых, геостационарных, высокоэллиптических), что неизбежно
приведет к необходимости создания дополнительных станций.
С недавнего времени для определения параметров орбит низко-высотных спутников
используется приемники навигационных систем космического базирования. Спутник,
принимая сигналы таких систем как ГЛОНАСС/GPS, сам определяет свое местоположение.
Создание бортовой аппаратуры спутниковой навигации (БАСН) является сложной научно –
технической задачей, поскольку СРНС не предназначены для использования на борту
искусственных спутников Земли. В разработке бортовой аппаратуры спутниковой
навигации, заинтересованным предприятием является ОАО «Информационные спутниковые
системы» имени академика М.Ф. Решетнёва» – одно из ведущих предприятий российской
космической отрасли.
Аналитический обзор существующих приемников
В мире существует немного приемников космического базирования, рассмотрим
существующие на данный момент.
NASA Goddard Space Flight Center (GSFC) разработала новый космический GPS
приемник называющейся Navigator, который может эффективно работать в полном
диапазоне, начиная околоземной заканчивая геостационарной орбитой и за ее пределами.
Навигатор использует специальные алгоритмы обработки сигналов в радиационноустойчивых аппаратных средствах. За счет новых алгоритмов улучшена быстрота
обнаружения сигнала, значительно улучшена чувствительность (улучшение на 10 дБ по
сравнению с предыдущими космическими GPS приемниками).
Отслеживание аппаратных средств состоит из пользовательского дизайна,
программируемой пользователем вентильной матрицы (ППВМ), которая функционирует как
стандартный блок аппаратных корреляторов. Для повышения эффективности ППВМ, данные
сохраняются в FIFO(First In, First Out - «первым пришёл - первым ушёл») и обработанные
путем разделения времени, оборудование работает гораздо более высокими темпами, чем
АЦП. Конкретная реализация состоит из трех блоков корреляторов с временным
разделением, 12 каналов каждая, на общую сумму из 36 каналов. Наличие большого числа
каналов открывает возможность отслеживания того же спутника GPS несколькими
антеннами, которые могут быть использованы, например, в рефлектометриии, бистатическом применении радаров.[3]
LION Navigator навигационный приемник нового поколения, разработанный Astrium
(дочерняя компания EADS).
Навигационный
приемник
"LION
Навигатор"
обеспечивает
высокую
производительность и поддержку нескольких частот приема. Приемник разработан, чтобы
сделать использование GPS сигналов L1, L2C и L5 и Galileo сигналы E1, Е5а и E5b, а также
ГЛОНАСС и Compass открытыми сигналами. Параллельное использование 36 каналов
позволяет отслеживать все спутники в поле зрения. LION навигатор предназначен для
демодуляции сигналов навигационных данных из созвездий GNSS (Global Navigation Satellite
Systems) навигации. LION Navigator достигает очень высокого уровня интеграции и
производительности благодаря использованию интегральной схемы специального
назначения в качестве основного приемника. [4]
Еще одним из навигаторов космического базирования является экспериментальный
GPS-приемник, разработанный компанией Surrey Satellite Technology Limited (SSTL).
Приёмник, установлен на спутнике GIOVE-A, помогает осуществлять определение GPSкоординат на большой высоте (23300 километров), это впервые осуществленное определение
положения выше орбит группы гражданских GPS-спутников. Приемник SGR-GEO собирает
данные, которые помогут SSTL разработать приемник для навигации космических кораблей
на геостационарной орбите или даже в дальнем космосе.
SGR - GEO оснащен антенной с высоким коэффициентом усиления и высокоточным
термостатированным тактовым генератором. Система GPS, использующаяся на спутниках
низкой околоземной орбиты, позволяет определять орбитальное положение и является
источником синхронизации времени для спутников. Космический корабль на орбите выше
группы GPS-спутников может принимать лишь небольшое количество сигналов,
распространяющихся с дальней стороны Земли. И так как они оказываются намного более
слабыми, то определение местоположения не может считаться надежным. [5]
Технические характеристики всех рассмотренных выше приемников приведены в
таблице 1.
Таблица 1 – Технические характеристики навигационных приемников космического
базирования.
Приемник
Кол - во Использ Типы орбит,
Обеспечиваемая
Реализация
каналов
уемая
максимальн
точность
(аппаратны
ГНСС
ое
й или
расстояние,
программн
км
ый
приемник)
Navigator
36
GPS L1
НО, ГСО,
7 м и 1 см/с (по
Аппаратны
(NASA)
ВЭО
результатам
й
80 000
моделирования)
Mosaic GNSS
8
GPS L1
НО, ГСО
НО: 10 м (СКО), 10 см/с Программн
(EADS)
ГСО, главный лепесток
ый
GPS:
100 м (СКО) 3D;
65 м (СКО) плоскость, 20
см/с
LION
36
GPS L1,
НО, ГСО,
ГСО, главный лепесток Аппаратны
Navigator
L2C, L5;
ВЭО и
GPS: 63 м (СКО) 3D;
й
(EADS)
Galileo переходные, 16,5 м (СКО) плоскость
E1,E5;
70000
(по результатам
ГЛОНА
СС и
COMPA
SS (все
граждан
ские)
моделирования)
ГСО, главный лепесток
GPS и Galileo: 28 м
(СКО) 3D;
8 м (СКО) плоскость (по
результатам
моделирования)
50-100 м (радиальная),
10-15 м (горизонтальная)
SGR-GEO
24
GPS L1
НО, ГСО и
Аппаратны
(Surrey
переходные
й
Technologies)
орбиты
Первые навигационные приемники космического базирования, такие как Navigator
(NASA) проектировались, используя аппаратную реализацию, с развитием навигационных
систем, приемники космического базирования стали переходить на программную
реализацию, с целью улучшения характеристик приемников.
Программный навигационный приемник
Главным направлением в развитии навигационных приемниках, является
усовершенствование алгоритма обработки сигналов. Для этого используют технологию под
названием «Software-defined radio, SDR» (русс. Программно - определяемая радиосистема).
SDR – это радио-телекоммуникационная система, которая может быть настроена на
произвольную полосу частот и принимать различные виды модулированного сигнала,
состоящая из программируемого оборудования с программным управлением. Основная идея
данной технологии состоит в замене аппаратных устройств радиоприемника или
радиопередатчика на их программные аналоги, то есть произвести переход от устройств,
таких как: фильтры, смесители, модуляторы, демодуляторы, детекторы, к программным
реализациям на обычных персональных компьютерах.
Один из примеров реализации программного приемника представлен в среде
MATLAB. Основными операциями как во всяком приемнике является поиск и обнаружение
сигналов, выведение навигационной информации и определение координат. На рисунке 1
приведен пример процедуры обнаружения сигнала, с различных спутников.
Рисунок 1 – Результаты обнаружения сигналов
На рисунке 2 представлено биты навигационного сообщения, выделенные из принятого
сигнала.
Рисунок 2 – Биты навигационного сообщения
По окончанию обработки сигнала мы получаем оценки координат программного
приёмника в момент записи файлов (рисунок 3).
Рисунок 3 - Оценка координат программного приёмника.
Заключение
Разработка навигационного приемника космического базирования считается
целесообразной. Во-первых, разрабатываемый приемник будет работать со всеми
навигационными системами, во-вторых, он должен функционировать на спутниках,
запускаемых на разные орбиты. Установка бортовой системы спутниковой навигации
приведет к увеличению степени надежности и защищенности системы в целом, так как уже
каждый спутник будет осуществлять подстройку своих собственных параметров и
контролировать их.
В перспективе приемники космического базирования будут реализоваться с помощью
технологии SDR.
Используемая литература
1. В.В. Конин, Л.А. Конина. Спутниковые системы навигации: учебное пособие, Киев. 2008.
2. В.С. Яценков. Основы спутниковой навигации: системы GPS Navstar и ГЛОНАСС, М.:
Горячая линия-Телеком. - 2005.
3. Luke Winternitz, Michael Moreau, Gregory J. Boegner, Jr. NASA Goddard Space Flight
Center, Steve Sirotzky. Navigator GPS Receiver for Fast Acquisition and Weak Signal Space
Applications, Los Angeles.- 2004.
4. LION Navigator, Европейский аэрокосмический и оборонный концерн. [Электронный
ресурс] – Режим доступа: http//www.astrium.eads.net
5. SGR-GEO, Surrey Satellite Technology Limited.[электронный ресурс] – Режим доступа:
http://www.sst-us.com