Підсилювач високої частоти сигналів приймача-споживача супутникової радіонавігаційної системи GPS

ЗМІСТ

ПЕРЕЛІК СКОРОЧЕНЬ………………………………………………………… 4

ВСТУП ………………………………………………………………………….. 5

1. 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

2. 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 приймач………. 20

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 направлень прикладної космонавтики. Вона забезпечує якісно новий рівень координатно-часового забезпечення наземних, морських, повітряних і космічних користувачів. Це підтверджується такими важливими перевагами сучасних СРНС типу GPS і ГЛОНАСС, як глобальність робочої зони, необмежена пропускна здатність, скритність, живучість, високу точність і неперервність вимірювань просторових координат користувачів, швидкості їхнього руху і просторової орієнтації, поточного часу.

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 пропонуються різні пристрої і програмні продукти, які дозволяють бачити своє місцезнаходження на електронній карті; з можливістю прокладати маршрути з урахуванням  дорожніх знаків, дозволених поворотів  і навіть заторів; шукати на карті  конкретні будинки та вулиці, кафе, лікарні, автозаправки та інші об’єкти  інфраструктури.

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 пропонуються різні пристрої і програмні продукти, які дозволяють бачити своє місцезнаходження на електронній карті з можливістю прокладати маршрути з урахуванням  дорожніх знаків, дозволених поворотів  і навіть заторів, шукати на карті  конкретні будинки та вулиці, кафе, лікарні, автозаправки та інші об’єкти  інфраструктури.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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 відкритий  комерційний код С/А, всі НКА  використовують однакові частоти L₁ і L₂ , але кожний НКА має свій код у відповідності із різновидом дальномірних кодів. Тому забезпечується надійна ідентифікація кожного НКА в апаратурі споживача, шляхом застосування принципу кодового розділення сигналів.

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 τ_о≈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 τ_о≈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 τ_о≈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 D_i – код даних і-го НКА із швидкістю 50 біт/с; Р_і – 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.