Спутниковые системы навигации. Учебное пособие. Учебное пособие ( Лабораторный практикум на компьютере ) Київ 2008 1
 Скачать 4.49 Mb.
|
|
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 папкиTIME ...........................................................................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 ) sin( ) ( ) ( 2 ) cos( ) ( ) ( 2 ) ( 1 , 1 , θ ω θ ω + ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ + + ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = t t P t D P t t C t D P t s L i i Q i L i i I i i ; (1.1) ) sin( ) ( ) ( 2 ) ( 2 , θ ω + ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = t t P t D P t s L i i Q i i ; (1. 2) ) sin( ) ( 2 ) cos( ) ( ) ( 2 ( , ⋅ ⋅ P t I i i ) 5 , 5 θ ω θ ω + ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ + + ⋅ ⋅ ⋅ = t t C P t t C t D s L i Q i L i i ; (1. 3) ) cos( ) ( ) ( 2 ) ( 1 , , i L i ГЛ i i i t t C t D P t s θ ω + ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = ; (1. 4) ) cos( ) ( ) ( 2 ) ( 2 , , i L i ГЛ i i i t t C t D P t s θ ω + ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = ; (1. 5) ) cos( ) ( ) ( 2 ) ( 1 , , , θ ω + ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = t t C t D P t s L Geo i Geo i Geo i i , (1. 6) г в L Г го где s i (t)-сигнал i-го спутника; t-системное время соответствующего спутника; P i,I - мощность синфазной составляющей i-го спутника GPS; D i (t)-данные i-го спутника GPS; C i (t)- C/A- код i-го спутника GPS; ω L1 - круговая частота спутника GPS , соответствующая частоте L1 c учетом доплеровского сдвига ; - начальный фазовый сдвиг; P i,Q - мощность квадратурной составляющей i-го спутника GPS; P i (t)- P- код i-го спутника GPS; ω L2 - кру- о ая частота спутника GPS , соответствующая частоте L2 c учетом доплеровского сдвига; ω L5 - круговая частота спутника GPS , соответствующая частоте 5 c учетом доплеровско- го сдвига; P i -мощность сигнала i-го спутника ЛОНАСС; D i,ГЛ (t)-данные i-го спутника ГЛОНАСС; C(t)- код спутника ГЛОНАСС; ω i,L1 - круговая частота i- спутника ГЛО- 7 НАСС, соответствующая частоте L1 c учетом доплеровского сдвига; ω i,L2 - круговая часто- та i-го спутника ГЛОНАСС, соответствующая частоте L2 c учетом доплеровского сдвига; P i,Geo -мощность сигнала геостационарного спутника; D i,Geo (t)-данные геостационарного спутн 2 микросекунд, частотой следования 1. 023 МГц, периодом повто новлении сигнала происходит сужение спектра и выде лов спутников и изучаются в приведенных в настоя- щем разделе лабораторных работах. ика; C i,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 C i (t) есть псевдослучайные последовательности символов с амплитудой ±1, длительностью 0.97752 микросекунд, частотой следования 1.023 МГц, периодом по- вторения 1 миллисекунда. Составляющие P i (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 0.9775 рения 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 восста ление 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 сигна 8 Рассматривается |