Підсилювач високої частоти сигналів приймача-споживача супутникової радіонавігаційної системи GPS

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                                  довжини N=1023. При різних часових зсувах перемножуваних  
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 правосторонню  колову поляризацію. Мінімально-припустимі рівні прийнятих сигналів (дБ/Вт) на лінійно-полярізовану антену з підсиленням 3 дБ при кутах місця НКА більше 5º наведені у табл.2.1 [3].

 

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 D_i 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 навігаційне повідомлення зі швидкістю 50 біт в секунду. Кожен повне повідомлення складається з 30-секундкадрів, різних груп в 1500 біт інформації. Кожен кадр далі поділяється на 5 частин довжиною 6 секунд, розміром 300 біт кожна.  Кожначастина  містить 10 слів розміром 30 біт і довжиною 0,6 секунд кожна. Кожен 30-секундний кадр починається саме на півхвилини або хвилини, як вказано на атомному годиннику на кожному супутнику. 

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 одночасно  працюючих супутників в системі GPS обмежена числом 37.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.

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, робочого  сузір’я із чотирьох НКА;

2.Пошук та слідкування  за радіонавігаційними сигналами  НКА, вимірювання їх часової  затримки та доплерівського зсуву частоти;

3.Виділення та декодування  навігаційних повідомлень, у тому  числі ефемеридної інформації;

4.Обробку вимірювальної  та ефемеридної інформації, розрахунок  координат НКА на момент навігаційних  вимірювань, координат та вектора  швидкості споживача, а також  відхилення бортових годинників  та еталону частоти щодо часу  та опорної частоти системи;

5.Оцінку точності місцевизначення споживача та індикацію його координат, швидкості та часу у цифровому вигляді з темпом оновлення (10…50) Гц (в залежності від режиму роботи);

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 Т_А -310К;

коефіцієнт шуму антени U_ША-3.2дБмкВ;

потужність шуму який надходить  у приймачР_Ш – 0,3*10^-12Вт;

ВСШ на виході антени q –  45разів

Навігаційна апаратура споживача  забезпечує:

1.Вибір з усієї сукупності  НКА, що спостерігаються, робочого  сузір’я із чотирьох НКА;

2.Пошук та слідкування  за радіонавігаційними сигналами  НКА, вимірювання їх часової  затримки та доплерівського зсуву частоти;

3.Виділення та декодування  навігаційних повідомлень, у тому  числі ефемеридної інформації;

4.Обробку вимірювальної  та ефемеридної інформації, розрахунок  координат НКА на момент навігаційних  вимірювань, координат та вектора  швидкості споживача, а також  відхилення бортових годинників  та еталону частоти щодо часу  та опорної частоти системи;

5.Оцінку точності місцевизначення споживача та індикацію його координат, швидкості та часу у цифровому вигляді з темпом оновлення (10…50) Гц (в залежності від режиму роботи);

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.