Підсилювач високої частоти сигналів приймача-споживача супутникової радіонавігаційної системи GPS
ЗМІСТ
ПЕРЕЛІК СКОРОЧЕНЬ………………………………………………………
ВСТУП …………………………………………………………………………..
- ОБГРУНТУВАННЯ НЕОБХІДНОСТІ РОЗРОБКИ ПРИЙМАЧА СРНС GPS………………………………………………………………………
.. 7
1.1 Загальна характеристика СРНС…………………………………….. 7
1.2 Історія створення GPS……………………………………….……… 8
1.3 Галузі застосування СРНС GPS…………………………………… 9
2.АНАЛІЗ ФУНКЦІОНУВАННЯ РАДІОЛІНІЇ ПЕРЕДАЧІ РАДІОНАВІГАЦІЙНОГО СИГНАЛУ……………………………………….. 12
2.1 Структура сигналів СРНС GPS…………………………………….. 12
- Формат повідомлень СРНС GPS…………………………………….. 17
3.РОЗРОБКАФУНКЦІОНАЛЬНОЇ ЕЛЕКТРИЧНОЇ СХЕМИ СРНС GPS….18
3.1 Загальний аналіз апаратури споживача……………………………. 18
3.2 Розробка функціональної схеми……………………………………. 19
3.3 Розрахунок енергетики
сигналу що надходить у
3.4 Визначення основних характеристик приймального пристрою…...20
4. РОЗРАХУНОК ЕЛЕМЕНТІВ ПРИНЦИПОВОЇЕЛЕКТРИЧНОЇ СХЕМИ ПІДСИЛЮВАЧА ВЕРХНЬОЇ ЧАСТОТИСРНС GPS……………………… 22
ПЕРЕЛІК СКОРОЧЕНЬ
ГЛОНАСС – глобальна навігаційна супутникова система;
ЛА – літальний апарат;
СРНС – супутникова радіонавігаційна система;
НВЧ – надвисока частота;
НШСЗ – навігаційний штучний супутник Землі;
GPS – global positioning system (глобальна система місцеположення),
CDMA - Code Division Multiple Access,
МШП – малошумлячий підсилювач
ВСТУП
В даній курсовій роботі проводиться розрахунок підсилювача високої частоти для приймача супутникової радіонавігаційної системи GPS. Ця система розроблялася для виключно військових цілей, але на сьогодні вона широко використовується в геодезії, картографії, навігації, супутниковому моніторингу транспорту та для активного відпочинку.
Супутникова радіонавігація
є одним з перспективних
Вказані властивості визначили можливість розгляду питання про використання в перспективі СРНС в якості єдиного засобу для визначення місцеположення літального апарату (ЛА). На сьогодні передбачається використання СРНС для спостереження за повітряним простором держав (принцип залежного спостереження). Крім того передбачається застосування СРНС для розпізнавання ЛА в рамках реалізації концепції координатно часового розпізнавання (“свій-чужий”).
РОЗДІЛ 1
ОБҐРУНТУВАННЯ НЕОБХІДНОСТІ РОЗРОБКИ ПРИЙМАЧА СРНС GPS
1.1 Загальна характеристика СРНС
Супутникова радіонавігаційна система(СРНС) – комплексна електронно-технічна система, яка складається із сукупності наземного та космічного обладнання, призначена для визначення місцезнаходження, а також параметрів руху (швидкість і напрямок руху) для наземних, морських та повітряних об’єктів.
Рис.1.1- Супутникова радіонавігаційна система
Основні елементи супутникової системи радіонавігації:
1.Орбітальне групування супутників, що випромінюють спеціальні радіосигнали;
2.Наземна система управління і контролю, яка включає блоки вимірювання положення супутників і передачі на них отриманої інформації для корегування інформації про орбіти;
3.Приймальне обладнання користувача (навігатори) для визначення координат;
4.Необов’язково: наземна система радіомаяків, яка дозволяє значно підвищити точність визначення координат;
5.Необов’язково: інформаційна радіосистема для передачі користувачам поправок, що дозволяють значно підвищити точність визначення координат.
На даний момент працюють або готуються до впровадження наступні СРНС:
1.NAVSTAR (GPS) - належить міністерству оборони США, що вважається іншими країнами її головним недоліком. Більш відома під назвою GPS. Єдина повністю працююча система супутникової радіонавігації.
2.ГЛОНАСС - належить міністерству оборони Росії. На даний час мала кількість супутників та користувацького обладнання.
3.Бейдоу - китайська СРНС, призначена для використання тільки в цій країні. Особливість – невелика кількість необхідних супутників на орбіті.
4.Galileo - європейська система. Знаходиться на етапі виводу супутників на орбіту.
5.IRNSS - індійська СРНС в стані розробки. Призначена для використання тільки в цій країні.
Оскільки СРНС GPS є єдиною повністю працюючою, то саме вона буде розглядатися в даній курсовій роботі.
1.2 Історія створення GPS
Ідея створення супутникової навігації зародилася ще в 50-і роки. В той час коли СРСР був запущений перший штучний супутник Землі, американські вчені спостерігали за сигналом від радянського супутника і виявили, що завдяки ефекту Доплера частота прийнятого сигналу збільшувалась при наближенні супутника і зменшувалась при його віддалянні.
Суть відкриття полягала в тому, що якщо ви точно знаєте свої координати на Землі, то стає можливим виміряти положення і швидкість супутника, і навпаки, точно знаючи положення супутника, можна визначити власну швидкість і координати. Ця ідея була реалізована через 20 років. З 1974 по 1993 рік на орбіту Землі було виведено 24 супутники, необхідні для повного покриття земної поверхні. Стало можливим наведення ракет на нерухомі, а потім і рухомі об’єкти в повітрі та на землі.
Система GPS розроблялась як чисто військовий проект, але згодом в 1983 році було прийнято рішення про надання дозволу на використання системи цивільним службам. Американські військові ввели заваду (SA – selective availability), яка штучно знижувала точність цивільних GPS-приймачів для запобігання використання системи у військових цілях (наприклад, терористами). В 2000 році ця завада була вимкнена[1].
1.3 Галузі застосування СРНС GPS
Не дивлячись на те, що проект GPS був напрямлений на військові цілі, сьогодні GPS досить часто використовується в громадянських цілях. GPS приймачі продають в багатьох магазинах, що торгують електронікою, їх вмонтовують в мобільні телефони, смартфони і КПК.
Користувачам також
Окрім навігації координати, отримані, завдяки СРНС використовуються в наступних галузях народного господарства:
1.Геодезія: за допомогою систем навігації визначаються точні координати точок і межі земельних ділянок;
2.Картографія: системи навігації використовуються в громадянській та військовій картографії;
3.Навігація: морська та дорожня навігація;
4.Супутниковий моніторинг транспорту: моніторинг за положенням, швидкістю автомобілів, контроль за їх рухом;
5.Мобільний зв’язок: перші мобільні телефони з GPS з’явилися в 90-х роках. В деяких країнах, наприклад, США це використовується для оперативного визначення місцезнаходження людини, котра телефонує 911;
6.Тектоніка: за допомогою систем навігації ведуться спостереження за рухом тектонічних плит;
7.Активний відпочинок: є різні ігри, де застосовуються системи навігації;
8.Геотегінг: інформація, наприклад фотографії “прив’язуються” до координат завдяки влаштованим чи зовнішнім GPS-приймачам[2].
ВИСНОВКИ ПО ПЕРШОМУ РОЗДІЛУ
На даний час існує 5 супутникових радіонавігаційних систем, а саме: ГЛОНАСС, IRNSS, GPS , Galileo, Бейдоу. Але лише СРНС GPS є єдиною повністю працюючою.
У СРНС GPS з 1974 по 1993 рік на орбіту Землі було виведено 24 супутники, необхідні для повного покриття земної поверхні. Це дало можливість наведення ракет на нерухомі, а потім і рухомі об’єкти в повітрі та на землі.
Користувачам також
РОЗДІЛ 2
АНАЛІЗ ФУНКЦІОНУВАННЯ РАДІОЛІНІЇ ПЕРЕДАЧІ РАДІОНАВІГАЦІЙНОГО СИГНАЛУ
Основою системи є навігаційні супутники, що рухаються навколо Землі за 6-ма коловими орбітальними траєкторіями (по 4 супутники в кожній), на висоті приблизно 20180 км з періодом обертання навколо Землі 12 годин. Максимальна кількість одночасно працюючих супутників в системі GPS обмежена числом 37.
2.1 Структура сигналів СРНС GPS
Передавачі НКА випромінюють два неперервних сигнали на частотах L1 і L2. Частота діапазону L1 дорівнює 1227,6 МГц, діапазону L2 – 1575,42 МГц. Несуча частота L1 має дві складові, які знаходяться у квадратурі для зручності їх розділення.
Перша складова L1 модулюється двома двійковими послідовностями: дальномірним Р-кодом (Protected cоde) – кодом високої точності і інформаційною послідовністю лінії передачі даних, які додаються за модулем 2.
Друга складова L1 також модулюється двома двійковими послідовностями: дальномірним C/A кодом (Clear Acquistion) зниженої точності Її інформаційною послідовністю лінії передачі даних, які також додаються за модулем 2. Обидві інформаційні послідовності містять ефемеріди НКА, системний час, поведінку «годинників» НКА, статус повідомлення тощо.
Несуча частота L2 має одну складову і модулюється двома двійковими послідовностями: дальномірним Р кодом високої точності і інформаційною послідовністю лінії передачі даних, які додаються за модулем 2. Передбачений також режим використання тільки спеціального P(Y) коду без передачі інформаційної послідовності. Швидкість передачі даних інформаційних послідовностей 50 біт/с. Для всіх сигналів використовується двійкова фазова маніпуляція BPSK.
Основним дальномірним псевдовипадковим кодом є закритий Р код. Якщо увімкнути спеціальний режим А/S, то замість Р коду вмикається закритий код P(Y), що вперше введений для НКА Блок-ІІ.
У розпорядженні світової
спільноти знаходиться
Закритий Р-код – це псевдовипадкова М-послідовність (ПВП) довжиною 7 діб, передається із швидкістю 10,23 МБіт/с (тобто тактова частота 10,23 МГц), а тривалість одного біта τо≈0,1 мкс. Кількість дискрет Р-коду дорівнює
.
Величина N є базою сигналу. Кількість елементів початкової послідовністі при формуванні такого коду знаходиться із рівняння , звідки .
Закритий дальномірний P(Y) код, тривалість якого дорівнює 266,6 діб формується відповідно до спеціальних закритих документів. Тактова частота 10,23 МБіт/с, тобто τо≈0,1 мкс, а кількість дискрет . Початкова послідовність має 48 елементів і поки що не існує ЕОМ, які б були здатні розкрити цей код.
Відкритий С/А код – код пониженої точності (ПТ) Голда являє собою ПВП довжиною 1 мс з тактовою частотою 1,023 МГц, тобто тривалість дискрети τо≈1 мкс (0,9775171 мкс). Кількість дискрет N=1023 – це є база С/А сигналу.
Сигнал ВТ (Р код) додається до інформаційної послідовності за допомогою суматора за модулем 2, а потім здійснюється маніпуляція фази несучої частоти L1 на (рис. 2.1, а).
Сигнал ПТ (С/А код) формується разом із інформаційною послідовністю за допомогою суматора за модулем 2, а потім здійснюється маніпуляція фази несучої частоти L1 на 0º – 180º (рис. 2.1, а).
Ортогональність сигналів ПТ та ВТ забезпечує їх повне розділення в апаратурі споживача. На частоті L2 випромінюється тільки дальномірний Р код (рис. 2.1, б). Тому уникнути іоносферної рефракційної похибки (при проходженні радіохвиль через іоносферу) можуть тільки ті споживачі, які мають доступ до Р коду.
Отже сигнали GPS займають в L – діапазоні дві смуги завширшки у 20,46 МГц (рис. 2.2).
Сигнал, випромінюваний
і-м НКА на частоті L1 можна
подати
у вигляді
,
де Di – код даних і-го НКА із швидкістю 50 біт/с; Рі – дальномірний код ВТ і-го НКА із швидкістю 10,23 Мбіт/с; ; – відкритий дальномірний код ПТ і-го НКА із швидкістю 1,023 Мбіт/с.
Сигнал , випромінюваний і-м НКА на частоті L2 має вигляд
,
де .
Дальномірний С/А
код – код Голда – формується через додавання
за модулем 2 двох спеціально підібраних
М – послідовностей однакової
М - послідовностей отримуються різні
послідовності Голда. Кожному НКА у системі
присвоєна своя, індивідуальна послідовність
Голда.
Код Голда отримується із двох 10-різрядних ПВП з утворюючими поліномами.
.
Код і-го НКА утворюється завдяки додаванню за модулем 2 цих ПВП, при цьому друга ПВП має індивідуальний для даного НКА зсув на фіксовану кількість символів.
Необхідно зауважити, що протягом ряду років С/А код піддавався зашумленню, що обмежувало точність вимірювання за допомогою апаратури споживача широкого користування (так званий режим обмеженого доступу S/A – Selective Availability). Режим SA був вимкнений 1.05.2000 р, але МО США залишає за собою право на власний розсуд знову вводити його, щоби уникнути можливості застосування комерційної апаратури споживачів для високоточних навігаційних вимірювань під час проведення військових операцій армією США.
Випромінювані передавачами
НКА сигнали мають
Таблиця 2.1 Мінімальні рівні сигнали на вході приймача споживача
Частота |
Р код, дБ/Вт |
С/А код, дБ/Вт |
L 1 |
– 163,0 |
–160 |
L 2 |
–166 |
Навігаційне повідомлення інформаційної послідовності Di у складі сигналів та містить інформацію про ефемеріди НКА, що дозволяє розрахувати їх координати, складові вектора швидкості НКА, частотно-часові поправки, мітки часу, отримати параметри іоносферної моделі, відомості про стан бортової апаратури НКА тощо (табл. 2.2).
Таблиця 2.2Зміст навігаційних повідомлень
№ блоку (формату) |
Зміст |
1 |
Часові поправки, поправки для двочастотної іоносферної корекції |
2 |
Ефемеріди |
3 |
Ефемеріди |
4 |
Альманах |
5 |
Ознаки роботоздатності НКА |
6 |
Резервне повідомлення |
7 |
Резервне повідомлення |
8 |
Параметри UТС іоносферної моделі |
9 |
Ознаки А/S і роботоздатності НКА |
10 |
Службове повідомлення |
11 |
Резервне повідомлення |
Ця інформація використовується в апаратурі споживача для рішення навігаційної задачі власного місцевизначення, швидкості і часової поправки до власної шкали часу.
2.2 Формат повідомлень СРНС GPS
Кожен супутник GPS безперервно транслює навігацій
Перша частина повідомлення кодує число тижня і часу,а також дані про стан супутника. Друга частина повідомлення, ефемериди , забезпечує точну орбіту супутник. Остання частина повідомлення, альманах , містить грубі орбіти та інформації про стан усіх супутників в мережі, а також дані, пов'язані з виправленням помилок. [4]
Всі супутники передають на тих же частотах. Сигнали кодуються з використанням Code Division Multiple Access (CDMA), що дозволяє відрізняти повідомлення від окремих супутників один від одного на основі унікальної кодування для кожного супутника (про що приймач повинен бути в курсі).
Ефемерид оновлюється кожні 2 години і, як правило, є дійсними протягом 4 годин, з положеннями оновлень кожні 6 годин або більше в позаштатних умовах. Альманах оновлюється як правило, кожні 24 години. Крім даних протягом декількох тижнів після завантажується у разі передачі оновлень, що затримка завантаження даних[5].
ВИСНОВКИ ПО ДРУГОМУ РОЗДІЛУ
Основою системи є навігаційні
супутники, що рухаються навколо
Землі за 6-ма коловими орбітальними
траєкторіями (по 4 супутники в кожній),
на висоті приблизно 20180 км з періодом
обертання навколо Землі 12 годин.
Максимальна кількість
Супутники GPS передають два типи різних сигналів: сигнал точного коду, або P код (з 1994 р. замінений більш криптостійким Y кодом) і сигнал грубого коду, або C/A код. Р код призначений для використання санкціонованими військовими користувачами і забезпечує так зване точне позиційне обслуговування.
Всі супутники передають на тих же частотах. Сигнали кодуються з використанням Code Division Multiple Access (CDMA), що дозволяє відрізняти повідомлення від окремих супутників один від одного на основі унікальної кодування для кожного супутника.
РОЗДІЛ 3
АНАЛІЗ І РОЗРОБКА СТРУКТУРНОЇ СХЕМИ ПРИЙМАЧА СРНС GPS
3.1 Загальний аналіз апаратури споживача
Навігаційна апаратура споживача забезпечує:
1.Вибір з усієї сукупності
НКА, що спостерігаються,
2.Пошук та слідкування
за радіонавігаційними
3.Виділення та декодування
навігаційних повідомлень, у
4.Обробку вимірювальної
та ефемеридної інформації, розрахунок
координат НКА на момент
5.Оцінку точності
6.Здійснення контролю за роботоздатністю блоків приймача GPS.
Апаратура споживача вимірює час запізнення та доплерівський зсув частоти прийнятого навігаційного сигналу. Вимірювання проводиться шляхом кореляції прийнятого сигналу із копією, що формується в приймачі АС.
Вимірювання часу запізнення проводиться кореляційним, а потім фазовим методом. Кореляційний метод полягає у перемноженні копії дальномірного сигналу, сформованої за допомогою високостабільного генератора, на прийнятий сигнал і подальшого обчислення кореляційного інтегралу. Максимуму кореляційного інтегралу можна досягти, коли сформована копія збігається з прийнятим сигналом за часом та частотою. Оскільки для вимірювання псевдодальності використовується М-послідовність дальномірного навігаційного сигналу, то рівень її бічних залишків досить малий і практично не впливає на точність вимірювань і знаходження максимуму кореляційного інтегралу. Спочатку СРНС GPS не була призначена для вимірювання різниць фаз. Підвищення вимог до точності вимірювань призвело до застосування цього методу. Але при фазових вимірюваннях виникає неоднозначність. Для її уникнення застосовують методи, аналогічні фазовим РНС дальньої навігації.
При вимірюванні псевдодальності ії точність залежить від тривалості дискрети дальномірного сигналу. При цьому апаратура споживача, яка має доступ до Р коду проводить вимірювання псевдодальностей за сигналом, тривалість дискрети якого у 10 разів менша ніж у С/А коду. Це дозволяє збільшити точність місцевизначення також у 10 разів.
Складові середньоквадратичних похибок (СКП) визначення псевдодальностей в апаратурі споживача у метрах наведені у табл.3.1 при використанні С/А або Р кодів [3].
Таблиця 3.1СКП основних джерел похибок визначення псевдодальностей, м
Джерела похибок |
С/А код |
Р код |
Іоносфера |
7 |
0,01 |
Тропосфера |
0,7 |
0,7 |
Багатопроменевість |
1,2 |
1,8 |
Шуми приймача |
1,5 |
0,6 |
Похибки координатно-часового забезпечення НКА |
3,6 |
3,6 |
Загальна похибка |
25,3 |
4,1 |
3.2 Розробка функціональної схеми
Функціональна схема приймача СРНС GPS представлена у додатку А. У даній схемі вхідний сигнал надходить на вхід суміщеної антени. Вхідний сигнал GPS лежить в діапазоні 1227,6 – 1575,42 МГц. Після цього сигнал фільтруюється смуговим фільтром і посилюються антенним підсилювачем. Далі сигнал надходить в радіочастотну частина приймача, де він фільтрується, посилюється. У результаті першого гетеродинування отримуємо суму сигналу GPS, що лежить в діапазоні 39 МГц (GPS). У приймальному тракті виділяємо GPS-сигнал за допомогою смугового фільтра. Спектр вхідного сигналу 39-85 МГц переноситься в діапазон 82,44 МГц (GPS) тобто спектр сигналу "перевертається".
3.3 Розрахунок енергетики сигналу що надходить у приймач
Довжина хвилі обраховується наступним чином[5]:
(3.1) |
Напруженість поля обчислена згідно[5]:
|
Де r відстань від передавача до приймача, потужність передавача. |
(3.2) |
3.4 Визначення основних характеристик приймального пристрою
Коефіцієн шуму приймальної антени[5]:
(3.3) |
Знайдемо шумову температуру антени[5]:
(3.4) |
Потужність шуму який надходить у підсилювач[5]:
(3.5) |
Рівень сигналу на виході антени[5]:
(3.6) |
Відношення сигнал шум на виході антени[5]:
36,3-3,2=33,1 дБмкВ=45 разів |
(3.7) |
ВИСНОВКИ ПО ТРЕТЬОМУ РОЗДІЛУ
Був проведений аналіз і розробка функціональної електричної схеми приймача СРНС GPS. Розрахунок енергетики сигналу що надходить у приймальний пристрій:
довжина хвилі – 0,24м;
напруженість поля – 0,0019В/м.
Визначені основні характеристики приймального пристрою:
шумова температура антени ТА -310К;
коефіцієнт шуму антени UША-3.2дБмкВ;
потужність шуму який надходить у приймачРШ – 0,3*10-12Вт;
ВСШ на виході антени q – 45разів
Навігаційна апаратура споживача забезпечує:
1.Вибір з усієї сукупності
НКА, що спостерігаються,
2.Пошук та слідкування
за радіонавігаційними
3.Виділення та декодування
навігаційних повідомлень, у
4.Обробку вимірювальної
та ефемеридної інформації, розрахунок
координат НКА на момент
5.Оцінку точності
6.Здійснення контролю за роботоздатністю блоків приймача GPS.
РОЗДІЛ 4
РОЗРАХУНОК ЕЛЕМЕНТІВ ПРИНЦИПОВОЇ ЕЛЕКТРИЧНОЇ СХЕМИ ПІДСИЛЮВАЧА ВЕРХНЬОЇ ЧАСТОТИ СРНС GPS
4.1 Вибір підсилювача верхньої частоти
У ролі підсилювачів верхньої частоти в СРНС виступають так звані малошумлячі підсилювачі (МШП).
МШП використовуються для зменшення шуму і підвищення чутливості радіоприймального пристрою. До недавніх пір в якості МШП на НВЧ використовувались підсилювачі на НВЧ-транзисторах, лампах біжучої хвилі, тунельних діодах, параметричні на напівпровідникових діодах, на джозефсонофських переходах і молекулярні. Проте, з розвитком конструкторських розробок розміри елементної бази істотно зменшувались і відповідно вносились інновації в реалізацію каскадів РЕА. В наш час широкого вжитку набули МШП на базі мікросхем, що еквівалентні транзисторним схемам. Тож доцільним є вибір цього методу реалізації ПВЧ.