Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Спутниковые системы навигации: Лабораторный практикум на компьютере

Голосов: 113

Приводится лабораторный практикум по вопросам спутниковых радионавигационных систем в виде открытых программных комплексов в среде MatLab. Лабораторный практикум в виде 16 работ с заданиями, примерами и контрольными вопросами охватывает направления формирования сигналов спутниковых навигационных систем GPS и ГЛОНАСС, преобразования координат, моделирование орбит навигационных спутников GPS, ГЛОНАСС, GALILEO, декодирования и расшифровка данных навигационных спутников, решение навигационной задачи расчета позиции приемника пользователя. Для студентов, аспирантов и преподавателей дисциплин, изучающих системы и компоненты спутниковых средств навигации.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
                   В. В. Конин, Л. А. Конина




Спутниковые системы навигации. Учебное пособие
         (Лабораторный практикум на компьютере)




                       Київ -2008




                           1


Рецензенты:
Л. В. Сибрук, заведующий кафедрой электродинамики Института электроники и систем
управления Национального авиационного университета, доктор техн. наук, профессор

Национальный технический университет «Киевский политехнический институт», кафедра
Информационных и телекоммуникационных сетей ИТС НТУУ «КПИ», зав. кафедрой док-
тор техн. наук, профессор Л. С. Глоба


Харьковский национальный университет радиоэлектроники, кафедра Основ радиотехни-
ки, зав. кафедрой доктор техн. наук, профессор В. М. Шоколо




                            Конин В. В., Конина Л. А.
      Спутниковые системы навигации. Лабораторный практикум на компьютере:




      Приводятся лабораторный практикум по вопросам спутниковых радионавигацион-
ных систем в виде открытых программных комплексов в среде MatLab. Лабораторный
практикум в виде 16 работ с заданиями, примерами и контрольными вопросами охватыва-
ет направления формирования сигналов спутниковых навигационных систем GPS и ГЛО-
НАСС, преобразования координат, моделирование орбит навигационных спутников GPS,
ГЛОНАСС, GALILEO, декодирования и расшифровка данных навигационных спутников,
решение навигационной задачи расчета позиции приемника пользователя.
      Для студентов, аспирантов и преподавателей дисциплин, изучающих системы и
компонеты спутниковых средств навигации.




                                           2


ВВЕДЕНИЕ...........................................................................................................................6
РАЗДЕЛ 1 СИГНАЛЫ GNSS..............................................................................................7
1.1 Краткие сведения из теории..........................................................................................7
1.2 Относительная фазовая манипуляция..........................................................................9
1.2.1 Лабораторная работа 1. 1 «Относительная фазовая манипуляция».......................9
1.3 Псевдослучайный код спутников GPS.......................................................................12
1.3.1 Лабораторная работа 1. 2 «Код спутников GPS»...................................................12
1.4 Функции и файлы из папки cod_GPS.........................................................................13
1.5 Псевдослучайный код спутников ГЛОНАСС...........................................................32
1.5.1 Лабораторная работа 1. 3 «Код спутников ГЛОНАСС» .......................................32
1.6 Функции и файлы из папки CodGLONASS...............................................................33
1.7 Вопросы и задания для самостоятельной подготовки..............................................37
РАЗДЕЛ 2 Преобразование координат ............................................................................38
2.1 Краткие сведения из теории........................................................................................38
2.2 Лабораторная работа 2. 1 «Преобразование координат» .........................................38
2.3 Вопросы и задания для самоподготовки ...................................................................40
2.4 Тексты программ..........................................................................................................41
2.4.1 Функции и файлы из папки COORDINATES .......................................................41
2.4.2 Функции и файлы из папки ECI_ECEF_LLH.......................................................45
2.4.3 Функции и файлы из папки TEST...........................................................................48
РАЗДЕЛ 3 Время................................................................................................................53
3.1 Краткие сведения из теории........................................................................................53
3.2 Лабораторная работа 3. 1 «Время в спутниковых радионавигационных
системах» ............................................................................................................................53
3.3 Вопросы и задания для самоподготовки ...................................................................55
3.4 Тексты программ..........................................................................................................55
3.4.1 Функции и файлы из папки TIME ...........................................................................55
3.4.2 Функции и файлы из папки TIME_S0 ....................................................................60
РАЗДЕЛ 4 Орбитальное движение навигационных спутников ....................................70
4.1 Орбитальное движение спутников GPS.....................................................................70
4.1.1 Краткие сведения из теории.....................................................................................70
4.1.2 Лабораторная работа 4. 1 «Орбитальное движение спутников GPS» .................70
4.1.3 Вопросы и задания для самоподготовки.................................................................72


                                                              3


4.1.4 Функции и файлы из папки ORBITA_GPSv1 .......................................................72
4.1.5 Примеры расчетов с помощью m-файла :Orbita_GPS.m.......................................82
4.1.6 Лабораторная работа 4. 2 «Наблюдение спутников GPS» ....................................85
4.1.7 Вопросы и задания для самоподготовки.................................................................85
4.1.8 Файл из папки ORBITA_GPSv2 .............................................................................86
4.1.9 Пример выполнения файла Orbita_GPS_1.m..........................................................93
4.2 Размножения эфемерид спутников ГЛОНАСС (иллюстрация решения системы
дифференциальных уравнений)........................................................................................96
4.2.1 Краткие сведения из теории.....................................................................................96
4.2.2 Лабораторная работа 4. 3 «Решения системы дифференциальных уравнений» 96
4.2.3 Вопросы и задания для самоподготовки.................................................................97
4.2.4 Файл ОRBITA_1.m....................................................................................................98
4.3 Орбитальное движение спутников ГЛОНАСС .........................................................99
4.3.1 Краткие сведения из теории.....................................................................................99
4.3.2 Лабораторная работа 4. 4 «Орбитальное движение спутников ГЛОНАСС»....100
4.3.3 Вопросы и задания для самоподготовки...............................................................101
4.3.4 Функции и файлы из папки ORBITA_GL_NAVIOR .........................................101
4.3.5 Примеры выполнения комплекса программ ORBITA_GL_NAVIOR..............138
РАЗДЕЛ 5 Преобразование данных навигационных спутников.................................141
5.1 Преобразование данных альманаха приемника СН 4701 в формат YUMA.........141
5.1.1 Краткие сведения из теории...................................................................................141
5.1.2 Лабораторная работа 5. 1 «Конвертирование данных альманаха GPS и
ГЛОНАСС в формат » YUMA ........................................................................................142
5.1.3 Задание для самоподготовки..................................................................................142
5.1.4 Функции и файлы из папки ALM_CH4701_V3...................................................142
5.2 Декодирование данных альманаха спутников GPS................................................165
5.2.1 Краткие сведения из теории...................................................................................165
5.2.2 Лабораторная работа 5. 2 «Декодирование данных альманаха навигационных
приемников на базе плат OEM- 4» .................................................................................165
5.2.3 Задание для самоподготовки..................................................................................166
5.2.4 Функции и файлы из папки RAW_ALM_PRG ...................................................166
5.3 Модель движения навигационных спутников GPS и ГЛОНАСС .........................173
5.3.1 Краткие сведения из теории...................................................................................173
5.3.2 Лабораторная работа 5. 3 «Модель движения и визуализация спутников GPS
и ГЛОНАСС»....................................................................................................................173

                                                           4


5.3.3 Контрольные вопросы и задания для самоподготовки .......................................174
5.3.4 Функции и файлы из папки Vsion_GLONASS_GPS ..........................................174
5.4 Модель движения спутников GPS, ГЛОНАСС, GALILEO ...................................185
5.4.1 Краткие сведения из теории...................................................................................185
5.4.2 Лабораторная работа 5. 4 «Модель движения и визуализация спутников GPS,
ГЛОНАСС, GALILEO » ..................................................................................................186
5.4.3 Задание для самоподготовки..................................................................................186
5.4.4 Файл из папки Vision_GLONASS_GPS_GALILEO .............................................187
5.4.5 Лабораторная работа 5. 5 «Орбиты спутников GPS, ГЛОНАСС, GALILEO ».195
5.4.6 Задания и вопросы для самоподготовки..............................................................196
5.4.7 Листинг файла ORBITA_GGG.m.........................................................................196
5.4.8 Пример выполнения файла:ORBITA_GGG.m......................................................202
5.5 Декодирование и расшифровка данных спутников ГЛОНАСС............................202
5.5.1 Краткие сведения из теории...................................................................................202
5.5.2 Лабораторная работа 5. 6 «Декодирование данных спутников ГЛОНАСС в
навигационном приемнике»............................................................................................203
5.5.3 Задания и вопросы для самоподготовки..............................................................209
5.5.4 Листинг файла:Decod_GL3.m ................................................................................210
5.5.5 Пример выполнения файла:Decod_GL3.m ...........................................................222
РАЗДЕЛ 6 Решение навигационной задачи ..................................................................224
6.1 Краткие сведения из теории......................................................................................224
6.2 Лабораторная работа 4. 1 «Решение навигационной задачи» ...............................224
6.3 Вопросы и задания для самоподготовки .................................................................224
6.4 Файл из папки «Координаты приемника» ...............................................................225
ПРИЛОЖЕНИЯ................................................................................................................230
Приложение 1 Отчеты по лабораторной работе ...........................................................230
Приложение 2 Альманах almanac_yuma_week0371_589824.txt .................................231
Приложение 3 Альманах 002.txt....................................................................................241
Приложение 4 Альманах AlmGGG.yum .......................................................................258
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК .....................................................................................................286




                                                         5


      ВВЕДЕНИЕ

      Рубеж XX- XXI веков выделяется двумя значимыми событиями. Глобальные спут-
никовые радионавигационные системы позиционирования становятся в ряд систем массо-
вого обслуживания, компьютер стал в неограниченных объемах доступен студентам. Дей-
ствительно, спутниковая радионавигация применяется в авиации, управлении наземным и
морским транспортом, геодезии, картографии, мониторинге газо и нефтепроводов, высот-
ных сооружений, наблюдениям за смещением материков и многих других отраслях. При
этом достигнуты точности определения координат от миллиметров до нескольких десят-
ков метров. Мировое сообщество может пользоваться спутниковыми системами GPS и
ГЛОНАСС безвозмездно. В стадии завершения находятся системы EGNOS и GALILEO,
ориентированные только на гражданских потребителей. Следует ожидать, что в 2008-2009
годах спутниковая радионавигация будет присутствовать в каждом мобильном телефоне.
Среди компьютерных технологий выделяется система MatLab, имеющая открытые про-
граммные коды и позволяющая решить практически любую вычислительную задачу. Ру-
ководство пользователя системой MatLab содержит более 4000 страниц, значительная
часть которых переведена на русский язык. Достаточно обратиться к библиографии книг
[7, 8].
      В предлагаемом учебном пособии впервые предпринята попытка представить слож-
ный вычислительный материал по вопросам спутниковой радионавигации в виде
лабораторных   работ,   выполняемых    по       завершенным   программным    продуктам,
написанным в среде MatLab. Всего таких работ 16, каждая работа рассчитана на 4
академических часа. Работы подготовлены на основании курсов, изучаемых в
Национальном авиационном университете: «Спутниковые системы связи, навигации,
наблюдений»,     «Моделирование       спутниковых       радионавигационных     систем»,
«Авиационные геоинформационные системы и технологии», «Глобальные спутниковые
системы позиционирования». Данные курсы читаются бакалаврам, специалистам и
магистрам.
     Отметим, что приведенные в пособии работы в объеме, определяемом заданиями к
каждой работе, дают базовый уровень знаний. Фактически же в каждую из работ заложен
потенциал, позволяющий при творческом дополнении программ и выполнении исследо-
ваний по программам трансформировать их в курсовые работы, а при интегрировании
программных кодов выполнять эффективные дипломные работы. Все программные про-
дукты, приведенные в пособии, проверены экспериментально.
      Авторы с благодарностью примут замечания и предложения по совершенствованию
пособия по адресам: cnsatm@nau.edu.ua, vkonin@mail.ru.


                                            6


     РАЗДЕЛ 1 СИГНАЛЫ GNSS

     1.1 Краткие сведения из теории

     Спутниковые радионавигационные системы формируют в околоземном пространст-
ве радионавигационное поле. Средства, обеспечивающие навигацию: спутниковые нави-
гационные         приемники,             станции          с     дифференциальным                 режимом            (контрольно-
корректирующие станции), аппаратура обслуживания принимают и обрабатывают ин-
формацию из радионавигационного поля и решают задачи в соответствии с функциональ-
ным назначением [1, 2, 3, 4, 8, 9].
     На навигационных GPS, ГЛОНАСС и геостационарных спутниках формируются и
излучаются следующие сигналы


      si (t ) = 2 ⋅ Pi ,I ⋅ Di (t ) ⋅ Ci (t ) ⋅ cos(ωL1 ⋅ t + θ ) + 2 ⋅ Pi ,Q ⋅ Di (t ) ⋅ Pi (t ) ⋅ sin(ωL1 ⋅ t + θ ) ;   (1.1)



      si (t ) = 2 ⋅ Pi ,Q ⋅ Di (t ) ⋅ Pi (t ) ⋅ sin(ω L 2 ⋅ t + θ ) ;                                                     (1. 2)



      si (t ) = 2 ⋅ Pi ,I ⋅ Di (t ) ⋅ Ci (t ) ⋅ cos(ω L 5 ⋅ t + θ ) + 2 ⋅ Pi ,Q ⋅ Ci (t ) ⋅ sin(ω L 5 ⋅ t + θ ) ;         (1. 3)

      si (t ) = 2 ⋅ Pi ⋅ Di , ГЛ (t ) ⋅ C (t ) ⋅ cos(ωi ,L1 ⋅ t + θ i ) ;                                                 (1. 4)



      si (t ) = 2 ⋅ Pi ⋅ Di , ГЛ (t ) ⋅ C (t ) ⋅ cos(ωi ,L 2 ⋅ t + θ i ) ;                                                (1. 5)



      si (t ) = 2 ⋅ Pi ,Geo ⋅ Di ,Geo (t ) ⋅ Ci ,Geo (t ) ⋅ cos(ω L1 ⋅ t + θ ) ,                                          (1. 6)


     где si(t)-сигнал i-го спутника; t-системное время соответствующего спутника; Pi,I-
мощность синфазной составляющей i-го спутника GPS; Di(t)-данные i-го спутника GPS;
Ci(t)- C/A- код i-го спутника GPS; ωL1- круговая частота спутника GPS , соответствующая
частоте L1 c учетом доплеровского сдвига;                               - начальный фазовый сдвиг; Pi,Q- мощность
квадратурной составляющей i-го спутника GPS; Pi(t)- P- код i-го спутника GPS; ωL2- кру-
говая частота спутника GPS , соответствующая частоте L2 c учетом доплеровского сдвига;
ωL5- круговая частота спутника GPS , соответствующая частоте L5 c учетом доплеровско-
го сдвига; Pi-мощность сигнала i-го спутника ГЛОНАСС; Di,ГЛ(t)-данные i-го спутника
ГЛОНАСС; C(t)- код спутника ГЛОНАСС; ωi,L1- круговая частота i-го спутника ГЛО-


                                                                    7


НАСС, соответствующая частоте L1 c учетом доплеровского сдвига; ωi,L2- круговая часто-
та i-го спутника ГЛОНАСС, соответствующая частоте L2 c учетом доплеровского сдвига;
Pi,Geo-мощность сигнала геостационарного спутника; Di,Geo(t)-данные геостационарного
спутника; Ci,Geo(t)- код геостационарного спутника.
     В выражениях (1.1-1. 2) составляющие сигнала D(t) (индексы упущены) в идеализи-
рованном виде представляют данные, передаваемые навигационными спутниками в виде
символов с амплитудой ±1, длительностью 20 миллисекунд и частотой следования 50 Гц.
Составляющие Ci(t) есть псевдослучайные последовательности символов с амплитудой
±1, длительностью 0.97752 микросекунд, частотой следования 1.023 МГц, периодом по-
вторения 1 миллисекунда. Составляющие Pi(t)есть псевдослучайные последовательности
символов с амплитудой ±1, длительностью 0.097752 микросекунд, частотой следования
10.23 МГц, периодом повторения 7 суток. В формулах (1. 3, 1. 4) составляющая сигнала
D(t) (индексы упущены) в идеализированном виде представляют данные, передаваемые
спутниками в виде символов с амплитудой ±1, длительностью 20 миллисекунд и частотой
следования 50 Гц. Составляющие C(t) есть псевдослучайные последовательности симво-
лов с амплитудой ±1, длительностью 1.9569 микросекунд, частотой следования 0. 511
МГц, периодом повторения 1 миллисекунда. В формуле (1. 5) составляющая сигнала D(t)
(индексы упущены) в идеализированном виде представляют данные, передаваемые гео-
стационарными спутниками, в виде символов с амплитудой ±1 и частотой следования 250
бит/с. Составляющие C(t) есть псевдослучайные последовательности символов с амплиту-
дой ±1, длительностью 0.97752 микросекунд, частотой следования 1. 023 МГц, периодом
повторения 1 миллисекунда.
     Сигналы (1.1-1. 6) получили название - сигналов с расширенным спектром (spread-
spectrum signal). Такие сигналы характеризуются следующими признаками: полоса частот,
в которой передаются данные D(t) значительно шире минимально необходимой; расши-
рение спектра сигнала производится шумоподобными сигналами C(t) или P(t); восстанов-
ление данных в приемнике производится путем сопоставления принятого сигнала с его
копией после синхронизации. При восстановлении сигнала происходит сужение спектра и
выделение полезного сигнала из шумов.
     Сигналы навигационных спутников, как на спутниках, так и в навигационных при-
емниках потребителя подвергаются специальной обработке для эффективной передачи,
поиска, обнаружения, слежения, измерения в условиях помех данных без потери инфор-
мации. Основные компоненты сигналов спутников и изучаются в приведенных в настоя-
щем разделе лабораторных работах.


                                            8


     Рассматривается метод относительной фазовой манипуляции, применяемый в
системе ГЛОНАСС. Метод осуществляется посредством перекодировки исходной после-
довательности информационных символов по следующему алгоритму:
      aвых i = aвх i ⊕ aвых i−1 ,                                                (1 .7)

     где а вх ί, а вых ί – входная и выходная последовательности символов при передаче со-
ответственно.
     При приеме перекодировка выполняется по правилу
      bi = aвых i−1 ⊕ aвых i ,                                                   (1. 8)

     где b ί последовательность символов после перекодировки на выходе приемника.
     Изучаются методы формирования псевдослучайных кодов спутников GPS и ГЛО-
НАСС, алгоритмы формирования которых основаны на получении псевдослучайных сиг-
налов посредством последовательных регистров сдвига.
     Исследуются приемы и методы корреляции псевдослучайных сигналов для нахож-
дения сигнала спутника.
     Детальные теоретические сведения о спутниковых навигационных сигналах можно
найти в работах [1 -4, 9].

     1.2 Относительная фазовая манипуляция

       1.2.1 Лабораторная работа 1. 1 «Относительная фазовая манипуляция»

     Цель лабораторной работы: реализация относительной фазовой манипуляции в
средах систем Simulink и MatLab.
     Рекомендуется следующий порядок выполнения лабораторной работы.
1. Откройте MatLab и запустите Simulink [5, 6].
2. Откройте в Simulink окно для создания нового документа и выполните задание 1, 2, 3.
3. Задание 1. Из блоков библиотеки Simulink соберите схему, изображенную на рис. 1.1.
   В этой схеме применяются следующие блоки. Блок g_F содержит данные (символы),
   которые требуется перекодировать. Блоки delay выполняют задержку на один символ,
   блоки mo_d сумматоры по модулю 2. Блок Oscillograph трехканальный осциллограф,
   регистрирующий результаты работы схемы.
4. Задание 2. Установите параметры блоков g_F, delay, mo_d в соответствии с рис. 1.2.
5. Задание 3. Выполните моделирование в среде Simulink. Для приведенных входных
   данных результат моделирования изображен на рис. 1.3.




                                            9


                         Рис. 1.1. Схема перекодировки символьной информации




                         а                                               б




                     в                                                       г

Рис. 1.2. Окна для установки параметров: а - блока g_F; б-блоков dela; в - блоков mod; г-командное окно
                                                MatLab.




                                                  10



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика