PŘEDNÁŠKA 11 Jiří Šebesta MRAR – Radiolokační a radionavigační systémy

PŘEDNÁŠKA 11 Jiří Šebesta MRAR – Radiolokační a radionavigační systémy
Jiří Šebesta Ústav radioelektroniky FEKT VUT v Brně

Radionavigační systémy
MRAR: PŘEDNÁŠKA 11. TÉMA: DRUZICOVÉ NAVIGAČNÍ SYSTÉMY II. GPS NAVSTAR GLONASS BeiDou, Compass QZSS GALILEO Radionavigační systémy

MRAR-P11: GPS – NAVSTAR (1/17)  GPS NAVSTAR (Global Positioning System - Navigation System Using Time and Range) je v současnosti nejvyužívanějším navigačním systémem.  Kosmický segment tvoří 21 aktivních a 3 záložní družice SV (Space Vehicle) umístěných po 4 družicích (rozestup 60°) na šesti kruhových oběžných drahách (A-F) ve výšce km s inklinací 55.  Oběžná doba je půl siderického dne, tj.přibližně 11 h 58 min. Radionavigační systémy

MRAR-P11: GPS – NAVSTAR (2/17)  Kosmický segment – družice Radionavigační systémy

MRAR-P11: GPS – NAVSTAR (3/17)  Technologie GPS družic Block I – počáteční fáze (do 1995) – životnost cca 5 let Block II (od 1989) – životnost 7,5 roku Block IIA – upgraded ver. – 180 dní autonomní režim Block IIR – replenishment (od 1997) Block IIR-M – nové signály Block IIF- přídavná flexibilita  Radionavigační systémy

MRAR-P11: GPS – NAVSTAR (4/17)  Technologie GPS družic Block III – (od 2010) očekávána přesnost určení polohy pod 1 m Radionavigační systémy

MRAR-P11: GPS – NAVSTAR (5/17)  Řídicí segment – pozemní systémová zařízení Radionavigační systémy

MRAR-P11: GPS – NAVSTAR (6/17)  Signály GPS (standard) Radionavigační systémy

MRAR-P11: GPS – NAVSTAR (7/17) Všechny družice GPS vysílají současně na dvou kmitočtech v pásmu L f1 = 1575,42 MHz a f2 = 1227,6 MHz v kódovém multiplexu CDMA. Signál vysílaný družicí lze popsat vztahem: kde C(t) a P(t) jsou rozprostírací pseudonáhodné kódy sloužící současně k měření pseudovzdálenosti družic a D(t) jsou data navigační zprávy. Kódy i data nabývají hodnot +1 a -1, jde tedy o modulaci s binárním fázovým klíčováním BPSK. Radionavigační systémy

MRAR-P11: GPS – NAVSTAR (8/17) Kód C(t) je tzv. Goldův kód s periodou obsahující 1023 bitů a bitovou rychlostí 1,023 Mb/s. Je určen pro neautorizovaný přístup s hrubým měřením C/A (Coarse Acquisition) a je volně dostupný a využitelný v civilním sektoru. Kód P(t) označuje kód přesný P (Precision) s bitovou rychlostí 10,23 Mb/s (jemnější odečet času pro měření pseudovzdálenosti). Perioda obsahuje přibližně 235 biliónů bitů, což odpovídá periodě asi 266 dnů. Využívá se však pouze sedmidenní část. Kód P(t) je určen pouze pro autorizované uživatele, oproti kódu C(t) je vysílán na obou nosných kmitočtech, čímž lze omezit vliv ionosferické refrakce. Radionavigační systémy

MRAR-P11: GPS – NAVSTAR (9/17) Na počátku 90. let byl algoritmus kódu P uvolněn a publikován. Po uvedení systému do operačního režimu byl ze strategických důvodů kriptován na tzv. Y kód, který je součástí režimu A-S (Anti-Spoofing), jehož zavedením nepřítel nemůže imitovat družici a působit tak na určování polohy podle svých taktických záměrů. Pro jeho využití je nutný dekriptovací klíč Radionavigační systémy

MRAR-P11: GPS – NAVSTAR (10/17)  Generování PRN C/A kódu  C/A kódy mají výrazné autokorelační maximum, mimo pozvolný nástup k maximu, vzájemná korelace je nízká Radionavigační systémy

MRAR-P11: GPS – NAVSTAR (11/17)  Vztah PRN C/A kódu a navigační zprávy 1023 chipů (1ms) PRN kód 1 chip PRN PRN PRN PRN … PRN 20 period kódu (20ms) Datové bity navigační zprávy 1 1 50bps (20ms/bit) Radionavigační systémy

MRAR-P10: GPS – NAVSTAR (12/17) Navigační zprávy je tvořena specifikovanými rámcem s pěti podrámci s bitovou rychlostí dat D(t) 50 bps. První podrámec obsahuje časové údaje, informace o stavu družice a deklarované chybě, druhý a třetí podrámec obsahuje kepleriánské elementy družice pro výpočet její aktuální polohy. Poslední dva podrámce jsou věnovány tzv. almanachu t.j. informacím o ostatních družicích systému, v každém rámci o jedné.  Aktuální informace o parametrech přijímané družice získáváme každých 30 sekund, kompletní přehled o systému pak po příjmu 25 rámců, tj. za 12,5 minuty. Radionavigační systémy

MRAR-P10: GPS – NAVSTAR (13/17)  Struktura navigační zprávy Radionavigační systémy

MRAR-P10: GPS – NAVSTAR (14/17)  První slovo každého podrámce je TLM (telemetry) obsahující synchronizační sekvenci podrámce a diagnostickou zprávu řídicího segmentu.  Druhé slovo každého podrámce je HOW (handover) obsahující tzv. z-count = pořadí následujícího podrámce (počítáno od půlnoci UTC ze soboty na neděli), stavové bity a identifikaci podrámce (1-5).  Posledních 6 bitů každého slova je parita. Radionavigační systémy

MRAR-P10: GPS – NAVSTAR (15/17) Vlastníkem systému je vláda USA a prvotně byl určen pro potřeby americké armády. Vznik je datován k , kdy memorandem ministerstva obrany Spojených států došlo ke sloučení pokusných programů Timation a 621B do programu GPS-NAVSTAR. Plného operačního stavu bylo dosaženo  Systém GPS je v současné době téměř nezranitelný. Družice nových generací IIR, IIR-M a IIF jsou odolné proti elektromagnetickému impulsu při jaderném kosmickém výbuchu a mohou pracovat nejméně 180 dní v autonomním režimu.  Probíhá modernizace z hlediska rozšíření signálů a služeb pro civilní aplikace. Radionavigační systémy

MRAR-P10: GPS – NAVSTAR (16/17) Objekty řídícího segmentu mají zajištěn nejvyšší stupeň ochrany. Vzhledem k výborným vlastnostem a spolehlivosti systému začal GPS prostupovat i do civilního sektoru. Koordinaci vojenských a civilních zájmů řeší na nejvyšší úrovni ministerstvo obrany a dopravy USA. Systém dovoluje zavedení metod znepřesnění určení polohy neautorizovaným uživatelům (v současné době vypnuto) nebo úplné vypnutí i lokálně.  Z důvodů řízení systému GPS bezpečnostními složkami USA jej nelze použít jako primární navigační prostředek v aplikacích se 100% spolehlivostí systému (civilní letectví), používá se pro navigaci přes oceány a pro přiblížení na přistání v kat. I. Radionavigační systémy

MRAR-P10: GPS – NAVSTAR (17/17) Modernizovaný GPS Na družicích od roku 2006: L2C signál na kmitočtu 1227,6 MHz s PRN chipů (CM – civil moderate kód) a s PRN chipů (CL – civil long kód), každá má bitovou rychlost 511,5 kb/s. Navigační zpráva 25 bps s FEC kodérem ½, tedy bitová rychlost 50 bps. L5 signál na kmitočtu 1176,45 MHz s 2 x PRN chipů (QPSK modulace, PRN ve složkách I a Q), každý má bitovou rychlost 10,23 Mb/s. V kanálu I navigační zpráva 50 bps s FEC kodérem ½, tedy bitová rychlost 100 bps. M (military) signál na kmitočtech 1575,42 MHz (L1M) a 1227,6 MHz (L2M) s PRN s bitovou rychlost 5x1,023 Mb/s. Modulace BOC(10,5) – viz dále. Radionavigační systémy

MRAR-P11: GLONASS (1/4)  GLONASS (Globalnaja navigacionnaja sputnikovaja sistema) je ruský GNSS systém založený na pasivní dálkoměrné metodě.  Kosmický segment (v FOC – Final Operation Capability) 24 družic (21 aktivních) na kruhových drahách s výškou km (oběžná doba 11 h 15 min) ve třech rovinách s inklinací 64,8°  Řídící segment  System Control Center – Golitsyno (70 km JZ od Moskvy)  Cetrální synchronizační stanice – Moskva Polohové monitorovací stanice – radarové měření polohy družic, uploading - St. Peterburg, Yeniseisk, Komsomolsk Laserový monitorovací systém – přesné měření polohy družic pomocí snímání odrazu slunečního světla – Komsomolsk, Kitab Monitorovací stanice navigačních signálů – Moskva, Komso-molsk Radionavigační systémy

MRAR-P11: GLONASS (2/4) Navigační signály družic Družice odděleny kmitočtovým multiplexem FDMA ve dvou pásmech v rozsahu 1602 až 1616 MHz a v rozsahu 1246 až 1257 MHz.  Všechny družice pro měření pseudovzdáleností vysílají stejné PRN:  C/A kHz, 511 bitů  P - 5,11 MHz, 33 mil. bitů. (tj 6,57 s – ořezáno na 1 s)  Navigační zpráva 50 b/s: C/A – rámec 10 s, celá 2,5 min. P – rámec 30 s, celá 12 min.  Status (k ) – 23 družic v plné operabilitě, 4 uváděny do provozu, 2 v údržbě, 1 rezervní, 1 v testovací letové fázi Radionavigační systémy

MRAR-P11: GLONASS (3/4) GLONASS status Radionavigační systémy

MRAR-P11: GLONASS (4/4)  V současné době vypouštěny družice se třetím kanálem (C/A i P) v pásmu 1190 – 1212 MHz.  V rámci projektů EUROCONTROL bylo uvažováno o využití systému GLONASS jako součásti společného evropského navigačního systému – nebylo přijato.  Na trhu se vyskytují kombinované GPS/GLONASS přijímače. Radionavigační systémy

MRAR-P11: BEIDOU, Compass (1/1)  BeiDou-I (Velká medvědice) je čínský GNSS systém opět založený na pasivní dálkoměrné metodě.  Kosmický segment (v FOC – Final Operation Capability) využívá 3+1 geostacionární družice s pokrytím čínského území, pracovní frekvence 2491,75 MHz Compass (BeiDou-II) navazuje na BeiDou-I, cílem je instalace 27 družic na 3 MEO kruhové dráhy s výškou km a inklinací 56°, 5 geostacionárních družic a 3 geosynchronní dráhy (oběžná doba 23h 56min) Předpokládá globální pokrytí a aplikace jak pasivní dálkoměrné metody se signály v pásmu L (čtyři signály E1, E2, E5B, E6), tak i aktivního přístupu k družicím v pásmu S s CDMA multiplexem. Přesnost určení polohy pro civilní signály 10 m. Radionavigační systémy

MRAR-P11: QZSS (1/1)  QZSS (Quasi-Zenith Satellite System) je japonský GNSS systém založený na pasivní dálkoměrné metodě s pokrytím Japonska a okolí  Kosmický segment využívá HEO družice s pokrytím Japonska s elevací větší něž 70° a umožňuje jak navigační služby, tak i přenos dat, videa a audia. Součástí systému je augmentace GPS. Radionavigační systémy

MRAR-P11: GALILEO (1/30)  Integrita, dostupnost a přesnost GNSS Výběrové aplikace (letectví, doprava) vyžadují vysokou spolehlivost navigačního systému: Integrita – včasná znalost chyby a její deklarace v systému (výpadek funkce družice, chyba v efemeridách) Dostupnost (pokrytí) – dostatečné pokrytí potřebným počtem družic (např. při 1 družici mimo provoz klesne globální průměr dostupnosti pro průměrně významnou družici ze 100% na 99,93%)  Přesnost – dostatečná přesnost získané polohy (v letectví je kritická chyba výšky) Radionavigační systémy

MRAR-P11: GALILEO (2/30)  Projekt GNSS I
 EGNOS = European Geostationary Navigation Overlay Service Radionavigační systémy

 GNSS I – pozemní systémy
MRAR-P11: GALILEO (3/30)  GNSS I – pozemní systémy Radionavigační systémy

MRAR-P11: GALILEO (4/30)  GNSS schéma Radionavigační systémy

MRAR-P11: GALILEO (5/30)  Sítě referenčních stanic SBAS (Satellite-based augmentation systems) Radionavigační systémy

MRAR-P11: GALILEO (6/30)  Status GNSS I  Základní systém je realizován  Korekce jsou distribuovány: Internet  Geostacionární družice IOR-W, AOR-E a EGNOS ESA ARTEMIS (frekvence GPS L1, MHz, CDMA, odlišeny pomocí PRN, specifický datový formát)  Novější komerční přijímače umožňují příjem WAAS korekcí (v menu aktivace WAAS) Radionavigační systémy

MRAR-P11: GALILEO (7/30)  GALILEO je společný projekt Evropské unie (EU) a Evropské kosmické společnosti (ESA).  Úkol je vybudovat evropský navigační systém jako alternativu k americkému systému GPS a ruskému GLONNASu.  Vývoj evropského navigačního systému začal na začátku 90. let minulého století globálním satelitním navigačním systémem první generace na bázi SBAS systému s WAAS (GNSS-I) EGNOS.  Ve druhé (současné) fázi je systém doplňován navigačními družicemi GALILEO (GNSS-II). Radionavigační systémy

MRAR-P11: GALILEO (8/30)  Architektura systému GALILEO Kosmický segment 30 družic (27 aktivních) s výškou 23, 222 km nad Zemí (MEO) na 3 orbitách s excentricitou a inklinací i = 56° po 120 °. Na každé orbitě obíhá 10 pravidelně rozmístěných družic, přičemž vždy jedna z 10 družic je záložní. Použitá konstelace poskytuje 100% pokrytí zemského povrchu s minimálním počtem družic.  Model geoidu GTFR (GALILEO Terrestrial Reference System). Orientace družic systému GALILEO udržována pomocí tříosé stabilizace polohy. Radionavigační systémy

MRAR-P11: GALILEO (9/30) Solární panely družice svou efektivní plochou orientovány směrem ke Slunci pomocí AOCS (Attitude and Orbital Control System) s křemíkovými články s vysokou účinností s plochou 14 m2 poskytují výkon 1500 W.  Primárními zdroji družic systému GALILEO Li-Ion baterie.  Hmotnost družice 680 kg při rozměrech 2.7 m x 1.2 m x 1.1 m.  Životnost družice vyšší než 12 let. Radionavigační systémy

MRAR-P11: GALILEO (10/30)  Pozemní (řídící) segment  GCS (Ground Control Segment)  GMS (Ground Mission Segment)  Pomocí globální sítě senzorových stanic GSS (GALILEO Sensor Stations) budou permanentně monitorovány a měřeny signály systému GALIEO.  Globální síť TT&C (Telemetry, Tracking and Telecommand) stanic pracující v pásmu S bude sloužit pro kontrolu funkce družic a konstelace. Radionavigační systémy

MRAR-P11: GALILEO (11/30)  Síť uplink stanic (ULSs) bude plnit navigační služby zajišťovat integritu a službu SAR  Propojení pomocí vysokorychlostních komunikačních sítí  Dvě geograficky redundantní senzorové stanice pro centralizova-né zpracování, monitorování a kontrolu. Radionavigační systémy

MRAR-P11: GALILEO (12/30)  Uživatelský segment – služby:  Open Service (OS) – služba bude poskytovat informace o poloze, času a rychlosti. Je zaměřena pro široké využití, zejména pro automobilovou navigaci a k implementaci do mobilních telefonů. Bude poskytována bezplatně.  Safety of Life (SOL) – služba je určena pro uživatele, u nichž je nutné garantovat kvalitu služby. Najde využití například v námořní, železniční nebo letecké dopravě. Je doplněna včasnými upozorněním uživatele, v případě možnosti zhoršení kvality služeb. Radionavigační systémy

MRAR-P11: GALILEO (13/30)  Commercial Service (CS) – služba poskytuje přístup k přídavným signálům, které zajistí možnost větší přenosové rychlosti a vyšší přesnosti navigace. Tyto signály budou šifrované. Dále tato služba bude komerčně nabízena poskytovatelům např. předpovědí počasí, informací o dopravě apod.  Public Regulated Service (PRS) – služba bude poskytnuta pouze vládou autorizovaným uživatelům, kteří vyžadují vysokou úroveň zabezpečení. PRS signály budou kódovány. Přístup k této službě bude kontrolován vládou schváleným bezpečnostním mechanismem. Radionavigační systémy

MRAR-P11: GALILEO (14/30)  Support to Search and Rescue (SAR) Service – družice systému GALILEO budou vybaveny transpondéry, které budou schopny přenášet pohotovostní signály např. z lodí, letadel do mezinárodních záchranných center. Radionavigační systémy

MRAR-P11: GALILEO (15/30)  Signál družic GALILEO  6 signálů pro navigaci s RHCP ve pásmech  1,164 – 1,215 MHz (E5 band)  1,216 – 1,300 MHz (E6 band) 1,559 – 1,592 MHz (E2-L1-E1 band)  Frekvenční plán byl navržen s ohledem na následující požadavky:  Přenos širokopásmových signálů v pásmu L umožňující přesné určení polohy  Minimální interference s již existujícími navigačními systémy (GPS, GLONASS)  Interoperatibilita se systémem GPS  Oddělení civilních, vojenských a jiných speciálních služeb Radionavigační systémy

MRAR-P11: GALILEO (16/30)  Spektrum v alokovaných GNSS pásmech Radionavigační systémy

MRAR-P11: GALILEO (17/30) Družice využívají stejné nosné frekvence a jsou vzájemně rozlišeny pomocí kódových sekvencí (CDMA).  Každá družice vysílá 6 navigačních signálů:  L1F signál: volně přístupný všem uživatelům systému, zahrnuje nešifrovaný datový kanál s navigačními daty a pilotní kanál, datová rychlost 125 b/s, využíván OS, SOL službou a případně komerčními službami.  L1P signál: šifrovaný pouze PRS služby.  E6C signál: pro komerční účely, datový a pilotní kanál, navigační data mohou být získána pouze dešifrováním pomocí komerčních algoritmů, přenosová rychlost dat je 500 bps, využíván pouze CS službou. Radionavigační systémy

MRAR-P11: GALILEO (18/30)  E6P signál: šifrovaný, využíván pouze službou PRS.  E5a signál: volně přístupný, zahrnuje datový a pilotní kanál, obsahuje nešifrovaná navigační data s přenosovou rychlostí 25 bps, využíván OS službou.  E5b signál: volně přístupný, datový a pilotní kanál, navigační data nešifrovaná, datový tok E5b signálu bude dále obsahovat zašifrovaná komerční data pro OS, SOL a komerční služby systému. Radionavigační systémy

MRAR-P11: GALILEO (19/30) Navigační a datové zprávy Navigační a časová data jsou generována v GALILEO GMS (Ground Mission Segment) a poskytována dále všem družicím přes datové kanály Integritní data jsou generována v GALILEO GMS a dále rozeslána do všech družic přes datové kanály signálů E5b a L1F  Komerční data od externích poskytovatelů, která před odesláním na družice budou koordinována s GALILEO Control Center (GCC). Uživatelé budou mít k těmto datům přístup přes službu CS. Využívány budou datové kanály signálů E5b, E6C a L1F  PRS data jsou vysílána pomocí E6P a L1P signálů Radionavigační systémy

MRAR-P11: GALILEO (20/30)  Navigační zprávy jsou vysílány přes datové jako sekvence superrámců. Podrámec je základním stavebním kamenem navigační zprávy a obsahuje následující pole:  Synchronizační slovo nazvané unique word (UW)  Bity kontrolního součtu (CRC) pro detekci chyb  Tail bity pro FEC kodér (jsou nastaveny na nulu)  Všechny podrámce budou kódovány FEC konvolučním kodérem s kódovým poměrem 1/2 a dále budou blokově prokládány. Radionavigační systémy

MRAR-P11: GALILEO (21/30)  Modulační techniky družic GALILEO  modulace s rozprostřením spektra signálu DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum), PRN Goldovy kódy  BPSK-R (BPSK- Rectangular chips) je modulační technika založená na rozprostření BPSK signálu pomocí obdélníkových rozprostíracích sekvencí.  BPSK-R signál lze v základním pásmu popsat rovnicí: kde {ak} jsou prvky rozprostírací sekvence PRN a gBPSK-R(t) je energeticky normalizovaný rozprostírací symbol BPSK-R: Radionavigační systémy

MRAR-P11: GALILEO (22/30) kde Tc je chipová perioda.  Obvykle je volena jako celočíselný n násobek chipové frekvence MHz a modulace je pak označena jako BPSK-R (n). Tyto chipové frekvence jsou využívány v systémech GALILEO i GPS. Radionavigační systémy

MRAR-P11: GALILEO (23/30)  BOC (Binary Offset Carrier) je modulační technika založená na DSSS, kterou lze považovat za rozšíření BPSK-R s rozprostíracími sekvencemi násobenými opět obdélníkovými sekvencemi s frekvencí několikrát vyšší. Počet půlperiod „hustší“ rozprostírací sekvence (subnosné) v původním rozprostíracím symbolu je dán: kde Ts = 1/(2fs) je půlperioda obdélníkové subnosné generované s frekvencí fs. Rozprostírací symbol modulace BOC lze pro sudé k napsat jako: Radionavigační systémy

MRAR-P11: GALILEO (24/30) kde  je volitelný fázový posun. Je-li zvoleno  = 0 (resp.  = /2) pak hovoříme o sin phased BOC (resp. cos phased BOC) a značíme dolním indexem BOCS (resp. BOCC).  Označení BOC(m, n) znamená BOC modulace s m x MHz frekvencí subnosné a s n x MHz chipovou frekvencí. Radionavigační systémy

MRAR-P11: GALILEO (25/30)  Funkce spektrální výkonové hustoty BPSK-R Radionavigační systémy

MRAR-P11: GALILEO (26/30)  Funkce spektrální výkonové hustoty BOCS Radionavigační systémy

MRAR-P11: GALILEO (27/30)  Funkce spektrální výkonové hustoty BOCC Radionavigační systémy

MRAR-P11: GALILEO (28/30)  Modulační techniky v jednotlivých kanálech Radionavigační systémy

MRAR-P11: GALILEO (29/30)  Spektrum v alokovaných GNSS pásmech Radionavigační systémy

MRAR-P11: GALILEO (30/30)  Status  Vypuštěny první dvě testovací družice systému GALILEO GIOVE-A (2005) a GIOVE-B (2008), proběhlo testování  vypuštěny první dvě operační družice, probíhá testování signálů, přibyla 3. a 4. družice – fáze testování Radionavigační systémy

Děkuji za vaši pozornost
GPS III. GIOVE (GALILEO) GLONASS DHF-3 (BEIDOU 1) Radionavigační systémy

PŘEDNÁŠKA 11 Jiří Šebesta MRAR – Radiolokační a radionavigační systémy

Podobné prezentace

Prezentace na téma: "PŘEDNÁŠKA 11 Jiří Šebesta MRAR – Radiolokační a radionavigační systémy"— Transkript prezentace:

Podobné prezentace

O projektu

Kontaktní formulář

Přihlásit se

Přihlásit se přes sociální síť:

PŘEDNÁŠKA 11 Jiří Šebesta MRAR – Radiolokační a radionavigační systémy

Podobné prezentace

Prezentace na téma: "PŘEDNÁŠKA 11 Jiří Šebesta MRAR – Radiolokační a radionavigační systémy"— Transkript prezentace:

Podobné prezentace

O projektu

Kontaktní formulář