Конспект до теми 6. (Сегмент користувачів ГНСС)
.pdf1.ГЛОБАЛЬНІ НАВІГАЦІЙНІ СУПУТНИКОВІ СИСТЕМИ
1.1.Сегмент користувачів
Сегмент користувачів об'єднує всі компоненти, що дозволяють користувачеві отримувати необхідну інформацію про місцезнаходження пункту спостережень, про покази точного часу, а для рухомих об’єктів - швидкість і напрямок їх переміщення.
Специфіка роботи прийомо-обчислювального комплексу поділяється на дві групи PPS (Precise Positioning Service) i SPS (Standard Positioning Service)
відповідно це точне і стандартне визначення місцеположення. До першої групи відносяться військові користувачі, приймачі яких здатні приймати Y- код позбавлений AS та SA - кодування. До другої групи відносяться усі цивільні користувачі, приймачі яких приймають сигнали кодовані функціями AS та SA.
Характерна особливість роботи апаратури, призначеної для військових користувачів, полягає в тому, що ця апаратура повинна працювати оперативно і надійно в умовах проведення військових дій, забезпечуючи при цьому необхідну точність місцезнаходження не тільки нерухомих пунктів спостереження, а й також таких рухомих об'єктів, як літальні апарати, різного роду плавзасоби і наземний транспорт.
Цивільні користувачі поділяються на три основні підгрупи: навігаційні,
геодезичні та спеціальні. Навігаційні приймачі миттєво визначають своє місцеположення. Середня квадратична похибка визначення координат навігаційними приймачами при відсутності перешкод та виключеному SA –
кодуванні супутникових сигналів не перевищує 10 м, а при включеному SA –
кодуванні може досягати 200-300 м. Геодезичні приймачі призначенні для диференційних вимірів (одночасно виміри проводяться мінімум двома приймачами) і визначення приростів координат між статично закріпленими приймачами. Точність визначення приростів координат може сягати 2 мм.
Спеціальні приймачі можуть мати саме різноманітне призначення, зокрема визначення точного часу.
У залежності від принципу вимірювання віддалей до супутника, приймачі
1
поділяються на кодові та фазові. Деякі приймачі додатково вимірюють допплерівський зсув частоти сигналу. Приймачі також розділяють на чотири групи по принципу вимірювання віддалей до супутника і типу сигналу який приймається до опрацювання:
•кодові приймачі із С/A – кодом;
•фазові приймачі із С/A – кодом;
•кодові приймачі із С/A та Р – кодом;
•фазові приймачі із С/A та Р– кодом.
До основних функцій геодезичного приймально-обчислювального комплексу можуть бути віднесені наступні:
•прийом радіосигналів від спостережуваних супутників;
•організація визначень реєстрованих величин;
•виконання попередньої обробки отриманих результатів вимірювань безпосередньо на пункті;
•проведення в камеральних умовах так званої «пост-обробки», що дозволяє отримати остаточні значення потрібних величин.
Поряд з перерахованими вище функціями апаратура користувача спільно з доданим до неї програмним забезпеченням повинна вирішувати в польових умовах цілий ряд допоміжних задач, до яких відносяться:
•селекція прийнятих радіосигналів від конкретного супутника, тобто відділення цього сигналу від сигналів всіх інших супутників,
захоплення згаданого сигналу і подальше його відстеження протягом всього сеансу спостережень;
•демодуляція і декодування прийнятих сигналів з метою їх підготовки до виконання вимірювань;
•розшифровка переданого з супутника навігаційного повідомлення;
•поточне управління всім процесом спостережень і виконання у польових умовах вимірювань;
•попередня обробка результатів вимірювань і організація їх зберігання з використанням тих чи інших пристроїв пам'яті;
2
•контроль за станом працездатності всього приймального комплексу
(самодіагностика), включаючи і контроль джерел живлення.
Всі перераховані вище функції реалізуються на основі використання відповідної структурної схеми приймальної апаратури користувача за винятком тих завдань, які вирішуються при виконанні «пост-обробки».
1.1.1. Загальна структурна схема приймача
Блок-схема типового ГНСС приймач наведено на рисунку 11.
Рис. 11 Блок-схема типового ГНСС-приймач
З наведеної блок-схеми випливає, що вхідну частину GPS-приймача представляє антенний пристрій, що забезпечує прийом радіосигналів від доступних в полі зору супутників. Обраний тип і режим роботи антени мають істотний вплив не тільки на можливість прийому сигналів від супутника, а й на точність виконуваних супутникових спостережень.
Оскільки радіосигнал від супутника до приймача проходить велику відстань (близько 20 тис. км), а потужність установленого на супутнику передавача порівняно невелика (близько 10Вт), то на виході антени сигнал має надзвичайно малу величину. При цьому виникає необхідність у його попередньому посиленні з допомогою НВЧ-підсилювача, який розташовується в безпосередній близькості від антени. Доволі часто антенний пристрій разом з
3
НВЧ-підсилювачем виробляється у вигляді окремого виносного блоку, що з'єднується з основним блоком приймача коаксіальним кабелем.
Оскільки багаторазове посилення НВЧ коливань пов'язане з істотними технічними труднощами, то в супутникових приймачах застосовується супергетеродинний принцип, при реалізації якого прийняті коливання після попереднього посилення піддаються перетворенням, в результаті яких значно знижується частота несучих коливань до декількох десятків мегагерц. При цьому утворюється проміжна частота, яку часто називають частотою биття.
В якості місцевого гетеродина використовується високостабільний опорний генератор, що входить до складу приймача. Необхідна для роботи приймача сітка частот формується за допомогою синтезатора частот на основі використання в якості вихідних коливань сигналів опорного генератора.
Основне посилення прийнятих сигналів здійснюється підсилювачем проміжної частоти (ППЧ), підключеним до виходу перетворювача частоти.
Безпосередньо з виходом ППЧ пов'язані блок пошуку і захоплення, а також вимірювальний блок. Пошук здійснюється на основі використання кодово-
кореляційних методів. Після завершення пошуку відбувається захоплення сигналів. Це захоплення дозволяє виконувати відстеження відповідних сигналів протягом усього сеансу спостережень, в якому бере участь «захоплений» супутник.
У вимірювальному блоці проводиться поділ прийнятих фазомодульованих коливань на кодові і чисто гармонічні сигнали, від яких відокремлюються також сигнали, що входять до складу переданого з супутника навігаційного повідомлення. При цьому перші два види сигналів використовуються в блоці процесорів для обчислення шуканих відстаней до супутників, причому на основі отриманих значень псевдовіддалей проводиться грубе визначення координат, а в разі потреби і вектор швидкості переміщення рухомого об'єкта,
на якому установлений приймач, обчислення різного роду поправок і коригування виміряних величин. Що стосується фазових вимірювань, то в приймальному пристрої здійснюється тільки попереднє їх згладжування і групування з передачею таких «сирих» даних в записуючий пристрій (ЗП). Як
4
вже зазначалося раніше, кінцева обробка фазових вимірювань проводиться на стадії «Пост-обробки» в камеральних умовах. Блок процесорів крім попередніх обчислень здійснює управління роботою приймача в автоматичному режимі на основі закладеного в нього програмного забезпечення.
Показаний на структурній схемі пульт управління та індикації включає в себе клавіатуру і табло, на якому за бажанням оператора можуть відображатися вимірювані за допомогою приймача величини, а також інша допоміжна інформація. Клавіатура дозволяє оператору вводити необхідну буквено-
цифрову інформацію, а також різного роду команди.
Антенний пристрій супутникових приймачів
Основне призначення антенних пристроїв супутникових приймачів полягає в тому, щоб з найбільшою ефективністю виконувати перетворення електромагнітних хвиль, що поширюються в навколишньому просторі, у
відповідні електричні сигнали, які можна передавати по електричних ланцюгах приймача, піддаючи їх посиленню і різного роду перетворенням.
Якість антен прийнято характеризувати показником перетворення, яке має здійснюватися з найменшими енергетичними затратами (коефіцієнт посилення антени), і показником, що характеризує спрямовані властивості антени
(коефіцієнт напрямленої дії). Останній прийнято представляти у вигляді полярної діаграми спрямованості. Також важливими є і такі специфічні для антен супутникових приймачів показники, як рівномірність фазової діаграми направленості і стабільність положення фазового центру. Крім того,
супутникові антенні пристрої оцінюються ступенем їх захисту від впливу побічних, відбитих від навколишніх об'єктів радіосигналів (вплив багатошляховості).
Для створення однакових умов прийому для всіх сигналів, що поступають від доступних в полі зору супутників, антенна система повинна мати діаграму спрямованості у вигляді півсфери. Така діаграма спрямованості може бути сформована на базі використання різних конструкцій антенних систем дециметрового діапазону. На сьогоднішній день в супутникових приймачах найбільше поширення набули мікрополоскові антени (мікрополоскові склейки),
5
які представляють собою плату з нанесеними на неї окремими елементами антени, при відповідному з'єднанні яких вдається сформувати необхідну діаграму спрямованості.
Для супутникових приймачів використовується поняття амплітудної і фазової діаграми спрямованості. При цьому амплітудна діаграма спрямованості оцінює в відносних одиницях рівень сигналу на виході антени залежно від напрямку його приходу, а фазова діаграма спрямованості -ч асові (або фазові)
затримки цих сигналів при їх проходженні через антенний пристрій. Ідеальною формою фазової діаграми спрямованості як і амплітудної, є півсфера, що забезпечує однакову величину затримок сигналу незалежно від напрямку їх приходу. При забезпеченні такої форми ці затримки вдається виключити у разі використання різницевих методів вимірювань.
На практиці реальна форма фазової діаграми направленості дещо відрізняється від ідеальної, в результаті чого можуть виникати у різниці у вимірюваних величинах. При розробці високоточних супутникових приймачів геодезичного типу прагнуть до того, щоб відхилення реальної фазової характеристики від ідеальної не перевищували 5-10 градусів, що відповідає помилкам у визначенні відстаней на рівні близько 3-5 мм.
Якщо приймач є двочастотним, то для сигналів обох частот (L1 і L2)
форми діаграми спрямованості повинні бути ідентичними.
Поряд з діаграмами спрямованості важливим показником антенного пристрою супутникового приймача є поняття фазового центру, його положення
істабільність цього положення в часі. При цьому під фазовим центром розуміють ту точку антенної системи, яка не піддається геометричним вимірам,
івід якої відраховуються всі вимірювані відстані до супутників, а її положення
«прив'язується» до положення відповідної точки відносно пункту спостереження.
При використанні в приймачі конструкції антени, симетричної відносно своєї вертикальної осі, положення фазового центру в горизонтальній площині співпадає з положенням згаданої осі симетрії. Що стосується зміщення цього центру по вертикалі, то таке зміщення визначається на основі спеціальних
6
досліджень (найчастіше в процесі налаштування і калібрування антени). У
високоточних приймачах геодезичного типу положення фазового центру визначають на міліметровому рівні точності і приймають всі заходи до того,
щоб положення фазового центру не змінювався з часом. При такому підході є всі підстави для того, щоб параметр, що характеризує стан фазового центру,
записати в паспорт приймача і користуватися ним як константою.
Ще однією специфічною для супутникових приймачів характеристикою антени є показник несприйнятливості до прийому сигналів, відбитих від підстилаючої поверхні та інших об'єктів. Для цього намагаються усунути всі пелюстки діаграми спрямованості, розташовані в нижній «тильній» частині антени. Слід зауважити, що потрапляння на антенну відбитих сигналів, що пройшли відмінний від прямих сигналів шлях, призводить до виникнення помилок у величині вимірюваних відстаней.
Для боротьби з впливом багатошляховості дуже часто використовують ту особливість, що напрями попадання на антену прямих і відбитих радіохвиль в більшості випадків суттєво відрізняються. У зв'язку з цим один із заходів боротьби з впливом багатошляховості полягає в тому, щоб сформувати таку діаграму спрямованості антени, яка забезпечувала б максимальну чутливість для прямих сигналів і мінімальну - для відображених. В якості додаткової міри використовують також установку спеціальних екрануючих металевих дисків безпосередньо під антеною. Наявність таких дисків дозволяє в багатьох випадках захистити антену від попадання на неї відбитих сигналів. При цьому слід мати на увазі ту обставину, що наявність екранують дисків суттєво впливає на формування амплітудної і фазової діаграм спрямованості.
7