MRAR-L ZADÁNÍ Č. úlohy 4 Družicové navigační systémy 4.1 Seznamte se s ovládáním GPS přijímače ORCAM 20 a vizualizačním programem pro Windows SiRFDemo. 4.2 Seznamte se s protokolem pro předávání zpráv z GPS přijímače NMEA0183. 4.3 Proveďte záznam měření polohy pro různé podmínky a pomocí skriptu v Matlabu určete histogram a směrodatnou odchylku chyby při 3D měření polohy. ROZBOR Systém GPS-NAVSTAR je pasivní dálkoměrnou navigační soustavou. Jeho kosmický segment je tvoří 21 základních a 3 záložní družice rozmístěných na šesti kruhových oběžných drahách s inklinací 55 a výškou 20200 km. Doba oběhu je přibližně 11 h 58 min (siderický půlden). Řídící segment tvoří hlavní řídící stanice MCS (Master Control Station) v Colorado Springs a několik monitorovacích stanic, z nichž tři umožňují předávat opravená data družicím. Monitorovací stanice provádějí měření poloh družic a MCS pak počítá přesné efemeridy a parametry palubních hodin jednotlivých družic. Ty jsou zpětně předány družicím a jsou součástí informací, tzv. navigační zprávy) vysílaných družicemi. Na straně uživatelského segmentu pak přijímač navigační zprávu ve formě daného protokolu přijme nejméně od čtyř družic a z časových a polohových údajů vypočte svou polohu ve třírozměrném prostoru. Komunikace probíhá technikou CDMA. Informační datový signál je modulován BPSK modulací s modulační rychlostí 50 Bd. Kódové posloupnosti, jimiž je modulován BPSK modulací (1,023 MBd) sekundárně, jsou Goldovy PN posloupnosti s délkou 1023 bitů. Pro kódové rozlišení GPS družic je k dispozici 32 těchto pseudonáhodných posloupností a definují tzv. PRN kód (číselné označení družice 1 až 32). Zlepšení přesnosti GPS lze dosáhnout opravou naměřených vzdáleností. Do bodu se známými přesnými souřadnicemi umístíme spciální přijímač GPS (referenční stanici) a porovnáváme skutečnou a naměřenou polohu. Z porovnání získáváme opravy měřených zdánlivých vzdáleností. Tyto opravy přenášíme k navigačním přijímačům uživatelů vhodnou komunikační linkou. Přijímače uživatelů opravují naměřené údaje a určují polohu. Takováto metoda se nazývá diferenční GPS (dále DGPS). Nevýhodou DGPS je omezené krytí. Nejčastěji se uvádí, že opravy účinně zvyšují přesnost v okruhu do 400 km od referenční stanice. Přesnost DGPS závisí rovněž na době, která uplynula od získání korekcí. Lze říci, že korekce jsou použitelné asi do 15 s od jejich získání. Pokud není nutné provádět měření polohy v reálném čase (např. v geodézii), není ani nezbytně nutné opravy přenášet, ale hodnoty naměřené referenční stanicí a uživatelským přijímačem se vhodně uloží a později (off-line) zpracují. Všechny družice základního systému GPS vysílají současně na dvou kmitočtech f 1 = 1575,42 MHz a f 2 = 1227,6 MHz v kódovém multiplexu CDMA. Signál vysílaný družicí lze popsat vztahem:
() t = A C() t D( t) sin( 2π f t) + A P( t) D( t) cos( 2πf t) + A P( t) D( t) cos( πf t) s C 1 P1 1 P2 2 2, (4.1) 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. 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. Měření pseudovzdálenosti pro určování polohy dálkoměrnou metodou u GPS systému je založeno korelaci mezi vstupním signálem GPS v základním pásmu a replikou PN kódu příslušné družice. V této úloze se budeme věnovat civilním, tzv. C/A kódům, které reprezentují Goldovy posloupnosti. Základní charakteristikou C/A kódu je ostré autokorelační maximum a velmi nízká vzájemná korelace mezi jednotlivými C/A kódy příslušných družic. Mimo aplikaci C/A kódu pro určení pseudovzdálenosti, je C/A kód rovněž využit pro zajištění kódového multiplexu CDMA jednotlivých GPS družic. Goldovy posloupnosti v C/A kódech jsou generovány jakou binární součet dvou nezávislých, avšak stejně dlouhých, PN kódů G1 a G2, přičemž kód G2 je pro daný C/A kód zpožděn o specifickou hodnotu k bitů. Každý dílčí kód se sestává z posuvného registru s R buňkami. Pro C/A kód je R = 10, délka kódu je pak dána R 10 L = L = 2 1 = 2 1 1023. (4.2) G1 G2 = Generující polynom PN kódu G1 má tvar: Pro G2 má generující polynom tvar: G1 + 3 10 = 1+ X X. (4.3) G2 + 2 3 6 8 9 10 = 1+ X + X + X + X + X X. (4.4) Zpoždění posloupnosti G2 o k bitů lze provést binárním součtem vhodných buněk posuvného registru generujícího G2. Schéma generátoru C/A kódů je uvedeno na obrázku 4.1. Kódy označené písmenem R reprezentují rezervované kódy. Pro jednotlivé družice definované svým identifikačním číslem SVN (Space Vehicle Number) jsou příslušná zpoždění G2 vůči G1 a k nim odpovídající buňky posuvného registru G2 uvedena v tabulce 4.1. Inicializace posloupností G1 a G2 odpovídá vektoru o deseti jedničkách.
Obr. 4.1 Princip generování C/A kódu pro GPS družice Tab. 4.1 Zpoždění G2 vůči G1 a příslušné buňky binárního součtu pro generování C/A kódu. SVN k [bitů] Buňky G2 SVN k [bitů] Buňky G2 SVN k [bitů] Buňky G2 1 5 2 6 14 256 7 8 27 515 7 9 2 6 3 7 15 257 8 9 28 516 8 10 3 7 4 8 16 258 9 10 29 859 1 6 4 8 5 9 17 469 1 4 30 860 2 7 5 17 1 9 18 470 2 5 31 861 3 8 6 18 2 10 19 471 3 6 32 862 4 9 7 139 1 8 20 472 4 7 R-33 863 5 10 8 140 2 9 21 473 5 8 R-34 950 4 10 9 141 3 10 22 474 6 9 R-35 947 1 7 10 251 2 3 23 509 1 3 R-36 948 2 8 11 252 3 4 24 512 4 6 R-37 950 4 10 12 254 5 6 25 513 5 7 13 255 6 7 26 514 6 8 Na obrázku 4.2 je naznačen způsob generování kopie družicového signálu. Pokud bude průběh generovaných signálů satelitů znám (kódy družic), lze pomocí výběru příslušné kopie pro danou družici a její korelace se vstupním signálem získat zdánlivé zpoždění a informaci, kterou z družic přijímáme. Kódy jednotlivých satelitů mohou být vhodně vybranými pseudonáhodnými poslopnostmi, které jsou pomocí zvolené číslicové modulace (např. BPSK) namodulovány na nosnou frekvenci. Při nízkých hodnotách vzájemných korelacích jednotlivých kódů je použita stejná nosná frekvence pro všechny družice systému, který pak pracuje se signálem s rozprostřeným spektrem s přístupem CDMA. Zda je družice ve směsi CDMA signálů GPS družic přítomná zjistíme korelací tohoto signálu s PN poslopností hledané družice.
POSTUP MĚŘENÍ Ad 4.1) Obr. 4.2 Měření vzdálenosti satelit - navigační přijímač. Přijímač ORCAM 20 představuje demonstrační modul dvanáctikanálového GPS přijímače s výstupním datovým protokolem SiRF. Výstupní datový protokol je určen pro předávání naměřených polohových údajů a dalších provozních dat do výstupního zařízení. Tím může být v případě přijímače ORCAM 20 komunikační systém pro přenos polohových dat do dohledového centra (dopravní navigační systém) nebo lze přijímač konfigurovat jako referenční stanici diferenčního systému (zasílaní aktuálních polohových korekcí) nebo lze výstupní data využít pro zobrazení na vizualizačním výstupním zařízení. V této úloze je pro vizualizaci dat využit program pro Windows SiRFDemo, který zpracovává data protokolu SiRF. SiRF je jeden ze standardních výstupních protokolů GPS přijímačů s rozšířenou datovou strukturou, umožňující sledování a zkoumání řady různých údajů. Oproti známějšímu standardu NMEA 0183 (přijímač ORCAM 20 jej taktéž podporuje) nabízí SiRF podstatně více provozních údajů, které lze využít při studiu a v demonstračních aplikacích. Kompletní popis ovládání a práce s přijímačem ORCAM 20 a demonstračním vizualizačním programem SiRFDemo je uveden v manuálu [4.1]. Zde budou uvedeny pouze základní pokyny. Po zapnutí přijímače (vypínač POWER na předním panelu) spustíte vizualizační program SiRFDemo ikonou na ploše. Přijímač je připojen k portu COM2 datová rychlost je 38,4 kbd (nastavení se provede v menu Setup Data Source, připojení programu k přijímači pomocí tlačítka Connect to Data Source (1) na horní liště). Program umožňuje zobrazení aktuálně přijímaných družic, jejich parametry, úrovně signálů, a které z možných družic jsou použity pro stanovení polohy. Program taktéž nabízí možnost nastavení vybraných parametrů přijímače i způsob vizualizace naměřených a vypočtených dat. Jak z názvu vyplývá vizualizační program SiRFDemo je demoverze a některé funkce nelze použít nebo jsou omezené. Na obrázku 4.3 je příklad uspořádání oken aplikace vhodný
pro řešení této úlohy. V levém horním okně Signal View (2) jsou uvedeny družice, které jsou v daném čase rádiově přístupné z daného místa a které firmware přijímače vyhodnotil jako vhodné pro příjem GPS signálu (omezeno dvanácti kanály přijímače). V prvním sloupci je uvedeno identifikační číslo družice SV odpovídající kódu rozprostírací posloupnosti (shodné s PRN), ve druhém sloupci je uveden aktuální příjmový status pro danou družici v hexadecimálním kódu. Podrobné zpracování kódů je uvedeno v tabulce 4.3 v manuálu [1]. Podmínky bezproblémového příjmu jsou specifikovány kódem BF. Stavový význam má také barevné označení jednotlivých řádků družic, viz tabulka 4.4 v manuálu [1]. Zelená barva představuje družice, které jsou využity pro stanovení polohy. Následuje sloupec azimut a elevace družice ve vztahu k poloze antény přijímače a sloupec s úrovní signálu. V pravém horním okně Navigation View (3) jsou uvedeny informace o aktuálně změřené a vypočítané poloze a vektoru rychlosti v kartézských souřadnicích i geodetických souřadnicích WGS-84, dále také údaje použitých družicích pro stanovení polohy a parametr DOP, kterým je definováno zhoršení přesnosti určení polohy vůči ideálnímu případu v důsledku aktuální geometrie uspořádání použitých družic. V levém spodním okně Geodetic Nav View (4) jsou údaje pro výpočet geodetických souřadnic, sousední okno Radar View (5) zobrazuje polohu družic, včetně barevného významu jejich stavu, graficky. V okně Map View (6) vpravo dole se při deaktivovaném statickém režimu graficky bodově vykreslují jednotlivé změřené polohy v horizontální rovině. Na základě rozložení naměřených poloh pak lze statisticky stanovit přesnost určení polohy za daných podmínek. Střed grafického zobrazení se definuje pro právě provedené měření kliknutím na tlačítko Current as origin (7). Tři soustředné kružnice definují místa s definovanou konstantní vzdáleností od středu, lze je nastavit kliknutím na pravé tlačítko myši v okně zobrazení. Významné parametry pro příjem GPS družic a zpracování navigačních dat se nastavují v menu Navigation. V demoverzi jsou některé hodnoty továrně nastavené a neměnné. V tomto dílčím úkolu se seznamte s ovládáním programu SiRFDemo a pomocí manuálu [1] prostudujte význam jednotlivých parametrů. Obr. 4.3 Okno aplikace SiRFDemo.
Ad 4.2) Protokol NMEA 0183 je znakově orientovaný protokol pro komunikaci s GPS přijímačem. Byl vyvinut společností NMEA (National Marine Elctronics Association), která jeho vlastní specifikaci autorsky chrání. Popis jednotlivých zpráv je uveden v manuálu [4.1]. Ad 4.3) Proveďte záznam měření (doporučeno 500 měření = 500 s) do souboru v protokolu SiRF. Přepněte se do módu SiRF a proveďte nastavení podmínek. V případě demoverze SiRFDemo lze podmínky příjmu měnit prakticky pouze změnou minimálního elevačního úhlu (elevační masky). Tím je omezen počet přijímaných družic a zhoršeny parametry DOP. Nastvení elevační masky proveďte podle obrázku 4.4. Dále nastavte záznam měření polohy podle obrázku 4.5. Pro záznam ponechte pouze zprávu 002. V této zprávě je specifikována poloha v kartézském souřadném systému x,y,z v [m] položky 2 až 4, který lze snadno využít pro analýzu měření přesnosti ve 3D prostoru. Po skončení měření analyzujte záznam pomocí matlabovského skriptu GPSprec. Ještě před samotným zpracováním záznamu odstraňte ze záznamu v textovém editoru řádky s hlavičkami a chybovými hláškami. Výsledkem analýzy je stanovení histogramu 3D odchylek od střední polohy a celková směrodatné odchylky měření polohy v [m]. Rovněž je určena průměrná hodnota DOP. Toto měření a analýzu proveďte pro dvojí nastavení podmínek (elevační maska malá okolo 5 a velká okolo 30 ). Obr. 4.4 Nastavení elevační masky v aplikaci SiRFDemo. Obr. 4.5 Nastavení záznamu měření polohy v aplikaci SiRFDemo.
PŘÍSTROJE A POMŮCKY GPS přijímač ORCAM 20 GPS antény 2x Napájecí zdroj 12 V LITERATURA [4.1] Orcam 20. GPS Receiver Module. Data Sheet. Orcam System, 2000. [4.2] PANY, T. Navigation Signal Processing for GNSS Software Receivers. 1 st ed. Boston: Artech House, 2010. [4.3] KAPLAN, E.D., HEGARTY, Ch.J. Understanding GPS. Principles and Applications. 2 nd ed. Boston: Artech House, 2006. [4.4] ZIEDAN, N.I. GNSS Receivers for Weak Signals. 1 st ed. Boston: Artech House, 2006.