Лекция №1. Введение в курс Перспективные радионавигационные сигналы (Лекция №1. Введение в курс "Перспективные радионавигационные сигналы")

Лекция №1 Введение в курсПерспективныеРадионавигационныеСигналыГаврилов А.И.2019Задачи,длярешениякоторыхсоздавалисьглобальныенавигационные спутниковые системыГЛОНАСС/GPS.Изначально GPS создавалась как военная система, одним из основныхназначений которой являлось определение координат подводных лодок,оснащенных баллистическими ракетами, после всплытия за минимальноевремя.Исходя из этого при создании навигационных систем задавалисьследующие требования по точности определения координат, скорости ивремени:Точность определения координат: 37 м (3-D, 95%)●Точность определения времени: 197 нс (95%)●Точность определения составляющих вектора скорости — 0,2 м/с (95%)●2/22Одни из первых GPSприемников3/22Одни из первых GPSприемниковОдни из первых GPSприемниковЗадачи, которые решаются спомощью спутниковой навигациив настоящее время4/22Определение абсолютных координатприемникаТочность определения координат по GPS: 7,8 м (3-D 95%)●Точность определения времени по GPS: 40 нс (95%)●5/22Определение абсолютных координатприемникаТочность определения координат по GPS: 7,8 м (3-D 95%)●Точность определения времени по GPS: 40 нс (95%)●Бюджет погрешности определения координат?6/22Высокоточноеопределениеотносительных координат на основеобработки фазовых измерений как врежиме постобработки измерений, так ив режиме реального времениТочность определения координат: <2 см●7/22Высокоточное определение абсолютныхкоординатнаосновеобработкифазовых измерений (PPP-технологияпозиционирования)Точность определения координат: ~10 см●8/22Пример использования высокоточнойнавигацииРазрешение фазовойнеоднозначностиВажный этап при получении высокоточных измеренийна основе фазовых измерений — разрешение фазовойнеоднозначности.Для упрощения решения данной задачи желательноиметь возможность выполнять максимально точныеизмерения по огибающей сигнала.Переход от сигналов с обычной бинарной фазовойманипуляцией (BPSK/QPSK) к BOC-сигналам позволяетувеличить точность измерения по огибающей сигнала.1^var { τ }≈,2 2(2⋅π⋅W rms ) ⋅q1 +∞ 2 ~˙ (f )|2 dff⋅|Sq≫1, W rms =∫2⋅E −∞9/22Пилот-сигналыКачество фазовых измерений может быть улучшено за счётработы по специальным пилот-сигналам, которые немодулируются цифровыми данными.Пилот-сигналы позволяют:Повысить помехозащищенность фазовых измерений (т.

к. цепислежения за фазой пилот-сигналов могут сохранятьработоспособность при меньшем отношении сигнал/шум (выигрыш 6дБ))●●Повысить точность фазовых измерений●Устранить неоднозначные скачки на ½ длины волны10/22Передача нескольких сигналов наодной несущей частотеС учётом отмеченных фактов появляется задача передачинескольких сигналов на одной несущей частоте:●Закрытый сигнал с данными●Закрытый пилот-сигнал●Открытый сигнал с данными●Открытый пилот-сигналЭтот набор сигналов приведен в качестве примера. В разныхГНСС требуемый набор сигналов может меняться. Однако,ключевое требование — это возможность передачи более 2сигналов на одной несущей частоте.11/22Передача нескольких сигналов наодной несущей частотеСумма более чем двух бинарных фазоманипулированныхсигналов имеет меняющуюся во времени амплитуду, чтоуменьшаетКПДвыходногоусилителямощностинавигационного спутника!Существует несколько подходов к решению задачи обеспеченияпостоянства амплитуды суммы более чем двух бинарныхсигналов:●временное мультиплексирование;●интерплекс модуляция;●схема модуляции AltBOC;метод оптимального выравнивания суммы навигационныхсигналов.●12/22Развитие спутников ГЛОНАССРазвитие спутников GPSМодуляция временным сдвигом(Code Shift Keying = CSK)РеализациярежимовPPP,прикоторыхиспользуетсяспутниковый канал передачи поправок, требует повышенияскорости передачи данных до нескольких кБит/с.Способ модуляции сигналов, применяемый в современныхГНСС не позволяет достичь скоростей передачи цифровыхданных более 0,5...1 кБит/с (при заданной полосе сигнала).Модуляцияувеличитьциклическимскоростьвременнымпередачисдвигомданныхдопозволяет2..5 кБит/сссохранением полосы (и структуры) сигналов.13/22Защита от имитационных помехТрадиционно разработчики спутниковой навигационнойаппаратурысталкивалисьсзадачейборьбысклассическими, например, заградительными помехами.Такиепомехивхудшемслучаеприводиликневозможности получения навигационного решения.В последнее время появился более опасный вид помех:имитационные помехи (spoofing).

Опасность этих помех втом, что они приводят к тому, что навигационнаяаппаратура при их воздействии начинает выдаватьложные координаты. При этом жертва такой атаки можетне подозревать о её осуществлении.14/22Защита от имитационных помехПримеры разных атак спомощьюимитационныхпомехШирокую известность, вчастности,получилэкспериментТодаХэмфри(ToddHumphrey)поугонуяхты ценой 80М$15/22Защита от имитационных помехМетоды, направленные на обнаружение атаки●Криптографические методы защиты:●*Криптографическая защита цифрового сообщения;*Криптографическая защита навигационного сигнала(дальномерного кода).16/22Помехоустойчивое кодированиеВ сигналах GPS C/A и ГЛОНАСС СТ используется кодХэмминга (расширенные или усечённые).В новых сигналах используются более эффективныекоды:свёрточные коды FEC(133,171) (ГЛОНАСС L3, GPS L5,GALILEO E1);●●коды Боуза-Чоудхури-Хоквингема (BeiDou B1I, B2I);●Коды с малой плотностью проверок на чётность LDPC;●коды Рида-Соломона.17/22Жесткая структура цифровойинформацииПример жесткой структуры цифровой информации (GPSL1 C/A).

При таком подходе в пределах суперкадрапоследовательно друг за другом передаются 25 кадров. Впределах кадра последовательно передаются 5 подкадрови т.д.18/22Гибкая структура цифровойинформацииПри таком подходе заранее неизвестен порядок передачиструктурных единиц сообщения.

При этом гарантируется, что заопределенный интервал времени будет передан весьтребуемый объем оперативной информации.Гибкая структура сообщения позволяет оптимизировать объёмпередаваемых данных под текущий состав орбитальнойгруппировки, при необходимости добавлять новые типысообщений.19/22Немного о экономикеСписок литературыРекомендуемый список литературы и электронных источниковГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования/ под ред.А.И.Перова, В.Н.Харисова. – М.:Радиотехника, 2010.●Основы построения спутниковых радионавигационных систем.Перов А.И.

- М.:Радиотехника, 2012.●Оптимальное выравнивание суммы навигационных сигналов вГНСС. /В.Н. Харисов, А.А. Поваляев Радиотехника, №7, 2011.●●Интерфейсный контрольный документ ГЛОНАСС. Ред. 5.1, 200820/22Список литературыРекомендуемый список литературы и электронных источниковИнтерфейсный контрольный документ OS SIS GALILEO ICD.Электронный источник:http://www.gsa.europa.eu/sites/default/files/galileo%20os%20sis%20icd%20-%20short%20version%20en.pdf●Интерфейсный контрольный документ OS SIS BeiDou ICD.Электронный источник:http://www.beidou.gov.cn/attach/2013/12/26/20131226b8a6182fa73a4ab3a5f107f762283712.pdf●Интерфейсный контрольный документ IS GPS 200H. Электронныйисточник: http://www.gps.gov/technical/icwg/IS-GPS-200H.pdf●21/22СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!22/22.