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.
      1

0.5

  0
      0       100         200      300          400         500          600          700          800       900      1000    1100
                                          Код GPS в двоичных символах
  1

  0

 -1
      0       100         200      300          400         500          600          700          800       900      1000    1100
                                               Код GPS в символах "1","-1"

  2
  0
 -2
      0       200          400       600          800         1000         1200             1400         1600       1800     2000
                                                 Псевдослучайный шум
  5


  0


 -5
      0       200          400       600          800         1000         1200             1400         1600       1800     2000
                                                   Код GPS плюс шум




               Рис. 1.13. Графика файла PrCodGPS.m- Figure 1

1000

 500

      0
          0         500           1000           1500             2000           2500               3000           3500       4000
                                    Автокорреляционная функция кода GPS

 100
      0
 -100
          0    200          400          600          800         1000         1200          1400          1600      1800     2000
                          Боковые лепестки автокрреляционной функции кода GPS
1000

 500

      0
          0         500           1000           1500             2000           2500               3000           3500       4000
                                         Автокорреляционная функция шума

 100

      0

 -100

          0    200          400          600          800         1000         1200          1400          1600      1800     2000
                            Боковые лепестки автокрреляционной функции шумa
               Рис. 1.14.. Графика файла PrCodGPS.m- Figure 2


100
   0
-100
       0            500          1000            1500         2000               2500              3000            3500      4000
                                    Взаимная корреляция кода GPS и шума

2000

1000

   0
       0            500          1000            1500         2000               2500              3000            3500      4000
                            Автокорреляционная функция кода GPS плюс шум
1000

500

   0
       0            500          1000            1500         2000               2500              3000            3500      4000
                     Взаимная корреляция кода GPS плюс шум и копии кода GPS
200


   0


-200
       0       200         400           600       800        1000             1200         1400          1600       1800    2000
                     Взаимная корреляция кода GPS плюс шум и копии кода GPS



               Рис. 1.15.. Графика файла PrCodGPS.m- Figure 3




                                                             31


                      10

                           0

                      -10
                               0       200       400          600      800    1000   1200      1400          1600      1800   2000
                                                                    Сумма кодов 11 спутников
                    2000
                    1000
                           0
                    -1000
                               0         500           1000          1500     2000     2500           3000          3500      4000
                                                       Автокорреляция суммы кодов 11 спутников
                    1500
                    1000
                     500
                           0
                               0         500           1000          1500     2000     2500           3000          3500      4000
                                              Взаимная корреляция суммы кодов 11 спутников и кода 13
                     500


                           0


                     -500
                               0       200       400          600      800    1000   1200      1400          1600      1800   2000
                                   Боковые лепестки взаимной корреляции суммы кодов 11 спутников и кода 13



                                       Рис. 1.16. Графика файла PrCodGPS.m- Figure 4


                    100


                     80


                     60


                     40


                     20


                      0


                     -20


                     -40


                     -60


                     -80


                    -100
                           0            500        1000             1500     2000     2500        3000              3500      4000
                                                  Взаимная корреляция кода GPS (коды 13и 37)

                                       Рис. 1.17. Графика файла PrCodGPS.m- Figure 5


    1.5 Псевдослучайный код спутников ГЛОНАСС

      1.5.1 Лабораторная работа 1. 3 «Код спутников ГЛОНАСС»

       Цель лабораторной работы- формирование и исследование псевдослучайного ко-
да спутников ГЛОНАСС.
     Рекомендуется следующий порядок выполнения лабораторной работы.
1. Создайте папку CodGLONASS_My и скопируйте в ее все программы из папки
   CodGLONASS.
2. Запустите MatLab, откройте функцию cod_GLONASS, изучите программные процеду-
   ры и комментарии, выполните задание.
3. Задание. Откройте файл BPS_K.m. Выполните файл. Опишите полученные графики и
   занесите описание графиков в отчет.



                                                                             32


1.6 Функции и файлы из папки CodGLONASS

Функция cod_GLONASS (формирование М- последовательности спутников ГЛО-
НАСС)
function [codGL, codGL_bin,Out,n]=cod_GLONASS(n);
%Имя функции: cod_GLONASS
%Функция cod_GLONASS вычисляет псевдослучайный код ГЛОНАСС
%(М-последовательность). Входные данные: n- количество символов в М-последовательности.
%Выходные данные: codGL- М- последовательность в символах "1", "-1" ,
%codGL_bin- М-последователности в символах "0", "1",
%Out- столбцы кодов для сравнения, n- длина кода
shift_reg=ones(1,9) ;%Начальное состояние регистра сдвига
for i=1:n
   codGL_bin(i)=shift_reg(7); % Выход М-последователности в символах "0", "1"
   modulo2 = xor(shift_reg(9),shift_reg(5));%Сложение по модулю 2 символов с 9 и 5 выходов регистра
сдвига
  shift_reg(2:9)=shift_reg(1:8); %Смещение данных в регистре сдвига
  shift_reg(1)=modulo2; % Сложение по модулю 2 на входе 1 регистра сдвига
end
codGL=2*codGL_bin-1;%М- последовательность в символах "1", "-1"
Out=[codGL_bin' codGL' ]; % Столбцы кодов для сравнения


 Файла:BPS_K.m
%Имя m--файла:BPS_K.m
%программа расчета характеристик сигнала спутника ГЛОНАСС
clear;
n=511;%количество символов в М-последовательности
[codGL, codGL_bin,Out,n]=cod_GLONASS(n);%функция, формирующая М-последовательность


Dat= codGL_bin;


fDat=0.511*10^6;% скорость передачи данных
fc=4*fDat ; %carrier frequency-несущая частота
fd=32*fDat; %частота дискретизации
fd_fDat=fd/fDat; %отношение частоты дискретизации к символьной скорости
t=(0:length(Dat)*fd_fDat-1)/fd; % дискретное время
t1=(0:length(codGL)*fd_fDat-1)/fd;% дискретное время
BPSK=cos(2*pi*fc*t + pi*Dat(floor(fDat*t)+1));%модулированный сигнал
%y= pmmod(Dat(floor(fDat*t)+1),fc,fd,pi) ;%модулированный сигнал (вариант)
y=BPSK;
%преобразование частоты
x1=y.*cos(2*pi*fc*t);


                                              33


x=y.*cos(2*pi*fc*t);
[b1,a1]=butter(3,fc*2/fd);%фильтр нижних частот с максимально-плоской характеристикой
[b,a]=ellip(10,2,60,fc*2/(32*fDat));%фильтр нижних частот с эллиптической характеристикой
%фильтрация высокочастотных составляющих
x1=filtfilt(b1,a1,x1);
x=filtfilt(b,a,x);
m=3.20;
%Графика
fig1=figure;
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
%Сигналы спутников ГЛОНАСС
%Несущая
subplot(3,1,1),plot(t,cos(2*pi*fc*t))
xlabel('а','FontSize',12,'FontName', 'TimesNewRoman')
grid on
xlim([3.07*10^(-4) m*10^(-4)])
ylim([-1.5 1.5])
%Несущая, модулированная М-последовательностью
subplot(3,1,2),plot(t,BPSK)
xlabel('б','FontSize',12,'FontName', 'TimesNewRoman')
grid on
xlim([3.07*10^(-4) m*10^(-4)])
ylim([-1.5 1.5])
%М-последовательность
subplot(3,1,3),stem(t,Dat(floor(fDat*t)+1))
xlabel('в','FontSize',12,'FontName', 'TimesNewRoman')
grid on
xlim([3.07*10^(-4) m*10^(-4)])
ylim([-1.5 1.5])


%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
%Фильтрация демодулированного сигнала ГЛОНАСС фильтром нижних частот с
%максимально плоской и эллиптической характеристиками
m=5;


%figure(fig1);
fig2=figure;
subplot(3,1,1), plot(t,Dat(floor(fDat*t)+1))
xlabel('а','FontSize',12,'FontName', 'TimesNewRoman')
grid on
xlim([3.07*10^(-4) m*10^(-4)])
ylim([-1.5 1.5])


                                               34


subplot(3,1,2), plot(t,x1)
xlabel('б','FontSize',12,'FontName', 'TimesNewRoman')
grid on
xlim([3.07*10^(-4) m*10^(-4)])
ylim([-1.5 1.5])
subplot(3,1,3), plot(t,x)
xlabel('в','FontSize',12,'FontName', 'TimesNewRoman')
grid on
xlim([3.07*10^(-4) m*10^(-4)])
ylim([-1.5 1.5])
%Фильтры
fig3=figure;
freqz(b1,a1,512,32*fDat),
xlabel('а','FontSize',12,'FontName', 'TimesNewRoman')
fig4=figure;
freqz(b,a,512,32*fDat),
xlabel('а','FontSize',12,'FontName', 'TimesNewRoman')


 Результаты выполнения файла -:BPS_K.m приведены на рис. 1.18…рис. 1.21.


      1

      0

     -1

               3.08           3.1        3.12         3.14      3.16        3.18      3.2
                                                  а                                   -4
                                                                                   x 10


      1

      0

     -1

               3.08           3.1        3.12         3.14      3.16        3.18      3.2
                                                  б                                   -4
                                                                                   x 10


      1


      0


     -1

               3.08           3.1        3.12         3.14      3.16        3.18      3.2
                                                  в                                   -4
                                                                                   x 10
            Рис. 1.18. Сигнал ГЛОНАСС- Figure 1: а- несущая; б- модулированная несущая;
                             в- выборка дискретизированной М-последовательности




                                                 35


  1

  0

  -1

        3.2         3.4                        3.6       3.8        4               4.2       4.4       4.6        4.8          5
                                                                        а                                                   -4
                                                                                                                         x 10


  1

  0

  -1

        3.2         3.4                        3.6       3.8        4               4.2       4.4       4.6        4.8          5
                                                                        б                                                   -4
                                                                                                                         x 10


  1


  0


  -1

        3.2         3.4                        3.6       3.8        4               4.2       4.4       4.6        4.8          5
                                         в                                    x 10
                                                                                  -4

         Рис. 1.19. Сигнал ГЛОНАСС- Figure 2: а- М-последовательность до модуляции;
б- М-последовательность после модуляции и фильтрации фильтром с максимально плоской характе-
              ристикой; в- М-последовательность после модуляции и фильтрации
                                                фильтром с эллиптической характеристикой

                                      0


                                     -50
                  Magnitude (dB)




                                    -100


                                    -150


                                    -200
                                           0    1    2         3        4           5     6         7      8
                                                                            а                            x 10
                                                                                                               6




                                      0

                                     -50
                  Phase (degrees)




                                    -100

                                    -150

                                    -200

                                    -250

                                    -300
                                           0    1    2         3         4          5     6         7      8
                                                                   Frequency (Hz)                              6
                                                                                                         x 10


 Рис. 1.20. Фильтр с максимально плоской характеристикой- Figure 3:верхний график- АЧХ;
                                  нижний график-ФЧХ




                                                                     36


                                               0




                           Magnitude (dB)
                                              -50




                                             -100




                                             -150
                                                    0   1   2   3        4           5   6   7     8
                                                                          а                      x 10
                                                                                                       6




                                             200

                                               0
                    Phase (degrees)


                                             -200

                                             -400

                                             -600

                                             -800

                                            -1000
                                                    0   1   2   3         4          5   6   7     8
                                                                    Frequency (Hz)                     6
                                                                                                 x 10


         Рис. 1.21. Фильтр с эллиптической характеристикой- Figure 4:верхний график- АЧХ;
                                        нижний график-ФЧХ


     1.7 Вопросы и задания для самостоятельной подготовки

1. Запишите математическую процедуру «сложение по модулю 2».
2. При каких условиях «сложение по модулю 2» можно заменить умножением?
3. Что такое псевдослучайный сигнал?
4. Есть ли разница между псевдослучайным сигналом и M- последовательностью?
5. Для чего кодируются сигналы навигационных спутников?
6. Запишите образующий полином для сигналов спутников ГЛОНАСС.
7. Запишите образующие полиномы для сигналов спутников GPS.
8. Какая связь между регистрами сдвига, формирующими коды сигналов спутников и
   образующими полиномами?
9. Опишите механизм формирования псевдослучайного кода спутников GPS.
10. Опишите механизм формирования M- последовательности спутников ГЛОНАСС.
11. Что обозначает понятие кодовое разделение сигналов?
12. Как идентифицируются спутники GPS?
13. Как идентифицируются спутники ГЛОНАСС?
14. Как понимать термин «отношение сигнал/шум»?
15. Опишите параметры функции корреляции.




                                                                      37


     РАЗДЕЛ 2 Преобразование координат

     2.1 Краткие сведения из теории

     В спутниковых системах радионавигации применяются различные системы коорди-
нат для расчета орбитального движения спутников и позиции потребителя. Системы ко-
ординат, методы и алгоритмы их расчета и преобразования, на основании которых разра-
ботаны программы данного раздела изложены в книге [1] (раздел 1. 3, стр. 33 -40), в руко-
водстве [7]. Пакет программ в среде MatLab дается в папке COORDINATES и в прила-
гаемых листингах программ.
     Цель лабораторной работы: Изучение и практическое освоение систем координат,
применяемых в спутниковых радионавигационных системах

     2.2 Лабораторная работа 2. 1 «Преобразование координат»

     Рекомендуется следующий порядок выполнения лабораторной работы.
1. Создайте папку COORDINATES_My и скопируйте в ее все программы из папки
   COORDINATES.
2. Запустите MatLab.
3. Обратитесь к папке COORDINATES_My и откройте ее.
4. Откройте функцию ECEFLLH_N, внимательно изучите ее по комментариям и про-
   граммным процедурам, описывающим алгоритм расчета (раздел 1. 3 книги [1]).
5. Откройте пример расчета Pr_Coord1.m и выполните m- файл.
6. Основываясь на m- файле Pr_Coord1.m выполните задание 1.
7. Откройте функцию LLHECEF_N, внимательно изучите ее по комментариям и про-
   граммным процедурам, описывающим алгоритм расчета (раздел 1. 3 книги [1]).
8. Откройте пример расчета Pr_Coord2.m и выполните m- файл.
9. Основываясь на m- файле Pr_Coord2.m выполните задание 2.
10. Откройте функцию top_coord, внимательно изучите ее по комментариям и программ-
   ным процедурам, описывающим алгоритм расчета (раздел 1. 3 книги [1]).
11. Откройте пример расчета prim_top_coord.m и выполните m- файл.
12. Основываясь на m- файле prim_top_coord.m выполните задание 3.
13. Задание 1. По географической карте определите широту (градусы/минуты/секунды)и
   долготу (градусы/минуты/секунды) любого города Европы. Преобразуйте выбранные
   значения в радианы. Задайте высоту в метрах (произвольно, например, 195). В соот-
   ветствии с п. п. 5, 6 и выбранными входными данными сформируйте m-файл и выпол-
   ните его. Результат выполнения из командного окна MatLab перенесите в отчет.


                                           38


14. Задание 2. Используя результаты, полученные в п. 13, в качестве входных данных в
   соответствии с п. п. 8, 9 сформируйте m-файл и выполните. Результат выполнения из
   командного окна MatLab перенесите в отчет.
15. Задание 3. Задайте координаты двух объектов, находящихся в прямой видимости ши-
   рота (градусы, минуты, секунды), долгота (градусы, минуты, секунды), высота (мет-
   ры). Преобразуйте заданные координаты широты и долготы в градусы. Используя эти
   исходные данные и п. п. 11, 12 сформируйте m-файл и выполните его. Результат вы-
   полнения из командного окна MatLab перенесите в отчет.
16. Обратитесь к папке .ECI_ECEF_LLH и откройте ее.
17. Откройте функцию eci_to_ecef, внимательно изучите ее по комментариям и программ-
   ным процедурам, описывающим алгоритм расчета (раздел 1. 3 книги [1]).
18. Откройте пример расчета Pr_eci_ecef.m и выполните m- файл.
19. Основываясь на m- файле Pr_eci_ecef.m выполните задание 4.
20. Откройте функцию llh_to_eci, внимательно изучите ее по комментариям и программ-
   ным процедурам, описывающим алгоритм расчета (раздел 1. 3 книги [1]).
21. Откройте пример расчета Pr_ecef_eci.m и выполните m- файл.
22. Основываясь на m- файле Pr_ecef_eci.m выполните задание 5.
23. Задание 4. Задайте координаты и скорости объекта satpos_eci, истинное звездное вре-
   мя s0, текущее время ti. Используя эти исходные данные и п. п. 17, 18 сформируйте m-
   файл и выполните его. Результат выполнения из командного окна MatLab перенесите в
   отчет.
24. Задание 5. Выберите эллипсоид и задайте его полуоси a, b; задайте текущее время
   ti,истинное звездное время time_s0, координаты потребителя llh_loc. Используя эти
   исходные данные и п. п. 20, 21 сформируйте m-файл и выполните его. Результат вы-
   полнения из командного окна MatLab перенесите в отчет.
25. Обратитесь к папке . TEST и откройте ее.
26. Откройте функции ECEF_to_LLH_Dg_Zu, ECEF_to_LLH_Itera, ECEF_to_LLH_Kelly,
   внимательно изучите их по комментариям и программным процедурам, описывающим
   алгоритм расчета (раздел 1. 3 книги [ ], руководство [ ]).
27. Откройте пример тестирования расчетов Test_Coord.m , изучите его, выполните m-
   файл.
28. Основываясь на m- файле Test_Coord.m выполните задание 6.
29. Задание   6.   Используя     входные    данные     из   заданий   1-   5   и   функции
   ECEF_to_LLH_Dg_Zu, ECEF_to_LLH_Itera, ECEF_to_LLH_Kelly выполните сопостав-
   ление расчетов по точной , итерационной и приближенной формулам при изменение

                                             39


     высоты в пределах 0 – 500 м; 1 – 10 км; 1 – 20 000 км. Расчеты проведите в области эк-
     ватора, северного полюса и Киева. Результаты выполнения из графиков включите в
     отчет.

       2.3 Вопросы и задания для самоподготовки

1. Какие системы координат применяются в спутниковых радионавигационных систе-
     мах?
2. Какая разница между геоцентрическими и геодезическими координатами?
3. Что обозначают понятия правая и левая системы координат?
4. Что обозначают понятия подвижная и неподвижная системы координат?
5. Запишите в аналитическом виде формулы перехода из пространственной эллипсоид-
     ной географической системы в геоцентрическую фиксированную систему (ECEF).
6. Даете определение пространственной эллипсоидной географической системе коорди-
     нат (центр, широта, долгота, высота).
7. Как определяются эллипсоид, геоид?
8. Сформулируйте определение системы координат, имеющей международное обозначе-
     ние ECEF.
9.   Сформулируйте определение системе координат, имеющей международное обозначе-
     ние ECI.
10. Дайте определение топоцентрической системе координат (цент, направления осей).
11. Дайте определение системе координат WGS 84 (цент, направления осей, параметры
     эллипсоида, в каких спутниковых радионавигационных системах является опорной).
12. Дайте определение системе координат ПЗ 90 (цент, направления осей, параметры эл-
     липсоида, в каких спутниковых радионавигационных системах является опорной).
13. Объясните понятие «прямая видимость».
14. Запишите формулу перевода градусов, минут, секунд в градусы, радианы; составьте
     программу в виде m- файла и убедитесь в правильности работы программы.
15. Запишите формулу перевода радиан в градусы, минуты, секунды; в градусы. Составьте
     программу в виде m- файла и убедитесь в правильности работы программы.




                                             40



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика