РусскийEnglish

 

home

Украина, 20700,
Черкасская обл.,
г. Смела, ул. Мазура, 24

fax

(04733) 443-54

phone

(04733) 402-46

email

Главная Публикации Интегрированный приемник GALILEO/GPS/GLONASS/SBAS для создания аппаратуры «SAFETY of LIFE»
Интегрированный приемник GALILEO/GPS/GLONASS/SBAS для создания аппаратуры «SAFETY of LIFE»
В данном докладе рассмотрены основные технические характеристики и особенности построения GNSS приемников, обеспечивающих безопасность жизни (Safety of Life) для использования в приложениях, критичных к безопасности.

Приемники GNSS, используемые в приложениях, критичных к безопасности в общем случае классифицируются как «приемники, обеспечивающие безопасность жизни» (Safety of Life). Основными характеристиками этого типа приемников являются надежность и их способность идентифицировать отказы. Более того, приемники данного класса сконструированы таким образом, чтобы использовать всю имеющуюся информацию для обнаружения возможных ошибок и последующего предупреждения конечных пользователей о необходимости принятия соответствующих мер.

В настоящее время SoL приемники представляют собой класс GNSS оборудования, с вполне определенными требованиями, характеристиками и функциями. Применение такого оборудования определяется потребностями транспортной отрасли и регламентируется нормативными документами ICAO (международная организация гражданской авиации), IMO (международная морская организация). Эти приемники должны иметь характеристики точности, надежности, целостности и доступности, соответствующие наивысшим возможностям проверенных технологий.

В рамках 6-й программы (Call 2), объявленной GJU (объединенным предприятием Galileo), наше предприятие, совместно с ГП «Оризон-Навигация» (г.Смела, Украина) и ЗАО «КБ Навис» (г. Москва, Россия) принимает участие в разработке GNSS приемника класса «Safety of Life» для морских применений.

Целью создания мультисистемного Galileo/GPS/GLONASS/SBAS приемника класса «Safety of Life» (SoL) является реализация новых возможностей и характеристик, которые предоставляются системой Galileo. Для выполнения этой задачи требуется детальное исследование этих возможностей, получение их количественного выражения и доведение до потребителей преимуществ использования Galileo для целей обеспечения безопасности жизни.

На основе требований нормативных документов ICAO и IMO нами была разработана спецификация интегрированного приемника Galileo/GPS/GLONASS/SBAS класса «Safety of Life».
Основные технические характеристики интегрированного приемника Galileo/GPS/GLONASS/SBAS класса «Safety of Life» представлены в таблице.
Основные технические характеристики приемника Galileo/GPS/GLONASS/SBAS класса «Safety of Life»

Параметр Характеристика Примечание
 Диапазон принимаемых  частот
 Galileo L1, E5a, E5b
 GPS L1, С/А-код
 ГЛОНАСС L1, СТ-код

 Число приемных  каналов  48 универсальных каналаов Уточняется на этапе разработки
 Режим работы  - Galileo + GLONASS + GPS;
 - Galileo + GLONASS;
 - Galileo + GPS;
 - только Galileo;
 - только GLONASS;
 - только GPS.

 Помехоустойчивость  - по требованиям КТ34-1;
 - совместимость с ПСС ГЛОБАЛСТАР и ИРИДИУМ

 Навигационная  информация  местоположение, скорость, время
 Система координат  WGS-84, ПЗ-90, СК-42, СК-95 По умолчанию WGS-84
 Динамика  • скорость до 500 м/с;
 • ускорение до 5 м/с2.


Типовая точность определения
 координат, (95 %)  • 15м в плоскости и 35м по высоте при работе в    одночастотном режиме, L1;
 • 10 в плоскости и 10 м по высоте в двухчастотном    режиме L1/E5a или L1/E5b;
 • 10 в плоскости и 10 м по высоте в трехчастотном    режиме L1/E5a/E5b.
 • 0.8м в плоскости и 1.2м по высоте в двухчастотном    или в трехчастотном режиме с использованием    дифф. поправок

 скорости, (95 %)  0.1 м/с
 времени, (95 %)  100 нс

Характеристики окружающей среды
 Рабочая температура   от -40 до +70 оС
 Температура хранения   от -55 до +85 оС

С целью верификации проекта в целом и подтверждения базовых характеристик разработан прототип приемника Galileo/GPS/GLONASS/SBAS класса «Safety of Life». На базе прототипа планируется решить следующие вопросы:

  • стратегии приема широкополосного сигнала (в частности Galileo Е5);
  • ослабления интерференции на пользовательском уровне;
  • ослабления многолучевости;
  • бланкирования импульсных помех;
  • спектрального разделения сигналов;
  • целостности мультисистемного приемника;
  • переход от SBAS (EGNOS) к Galileo;
  • разработка антенны.

Структурная схема прототипа приемника представлена на рисунке.

shema_priyomnika
Структурная схема прототипа приемника класса «Safety of Life»

В соответствии с картой распределения частот системы Galileo [1], представленной на рисунке, для SoL сервиса отведены два частотных диапазона L1 и Е5.

signaly_galileo
Обзор навигационных сигналов Galileo

Сигнал Galileo L1 SoL имеет центральную частоту 1575,42 МГц (L1 GPS) и модуляцию BOC(1,1) [2]. Спектр сигнала имеет два основных лепестка шириной 2,046 МГц, смещенных относительно центральной частоты спектра на 1,023МГц. Такая форма спектра обеспечивает совместимость сигнала Galileo c существующим сигналом C/A GPS. В частности, в [3, 4] проведено исследование взаимного влияния сигналов GPS и Galileo и показано, что в нормальных условиях (когда мощности принимаемых сигналов примерно одинаковы и лежат ниже уровня внутренних шумов приемника), взаимное влияние сигналов пренебрежимо мало (ухудшение отношения сигнал/шум составляет доли дБ).

Сигналы Galileo E5 делят спектральный диапазон с сигналами GPS и ГЛОНАСС. Так диапазон E5a совпадает с L5 GPS, а E5b с L3 ГЛОНАСС. B диапазоне E5 (центральная частота 1191,975МГц) планируется использовать AltBOC(15,10) - модуляцию [2]. Потребитель может рассматривать сигналы Galileo в диапазонах E5a и E5b как два мультиплексированных Data/Pilot широкополосных сигнала на частотах 1176,45 МГц и 1207,14 МГц соответственно, т.е. каждый из сигналов может обрабатываться в отдельном аппаратном канале. Принимая во внимание опыт работы и имеющиеся наработки в части приема и обработки широкополосного сигнала ГЛОНАСС L2, проблема приема сигналов Galileo E5 вполне решаема.

Уровень принимаемого сигнала Galileo, также как сигналов GPS и ГЛОНАСС, лежит ниже уровня внутренних шумов приемника, алгоритмы выделения полезного сигнала не имеют никаких особенностей по сравнению с другими системами GNSS. В силу более высокой ширины спектра сигналов Galileo увеличивается полоса частот, в которой должен обрабатываться полезный сигнал и соответственно тактовая частота цифровой обработки.

Структурная схема радиоприемного устройства прототипа приемника представлена на рисунке. Основываясь на опыт работ в области разработки мультисистемных приемников GPS/ГЛОНАСС, специалистами нашего предприятия в прототипе приемника применена схема построения радиоприемного устройства с раздельными трактами (в том числе и в антенном устройстве).

shema_priyomnika2
Структурная схема радиоприемного устройства прототипа приемника класса «Safety of Life»

Для обеспечения помехоустойчивости приемника предлагаемая структурная схема радиоприемного устройства совместно с антенным блоком обеспечивает помехоустойчивость в соответствии с маской показанной на рисунке.

maska_priyomnika
Маска помехоустойчивости приемника класса «Safety of Life»

Особенное место применительно к диапазону E5 Galileo занимают импульсные помехи, создаваемые системами DME, TACAN, JITIDS, работающими в диапазоне частот 960-1215 МГц, предназначенном для Aeronautical Radionavigation Services (ARNS). Помехи этих систем наиболее опасны для авиационных потребителей, однако при разработке, как SoL, так и других типов приемников предусмотрены специальные алгоритмы бланкирования импульсов, защищающие приемник от воздействия помех данного типа.

Контроль параметров радиоприемного устройства. Для уменьшения влияния параметров приёмных трактов на точность координат, в приемнике предусмотрен контроль параметров радиоприемного устройства. Наиболее важным из этих параметров является групповое время задержки (ГВЗ), стабильность которого зависит от стабильности параметров применяемых фильтров. Для обеспечения функции контроля ГВЗ в наших приемниках применяются схемотехнические решения со встроенным калибратором. Как видно из структурной схемы радиоприемного устройства сигналом встроенного калибратора охвачен весь радиоприемный тракт, что позволяет выполнить более полную калибровку радиоприемного тракта.

Модуль цифровой обработки, структурная схема которого представлена на рисунке, разработан на базе 24-х канального навигационного коррелятора (ASIC) для обработки сигналов СНС GPS/GLONAS и FPGA для обработки сигналов СНС Galileo. Дополнительно модуль цифровой обработки содержит 12-ти разрядные быстродействующие АЦП для отработки алгоритмов бланкирования импульсных помех и повышения помехоустойчивости к узкополосным помехам и синтезатор частоты (PLL) для формирования опорной частоты, используя общий с радиоприемным устройством опорный генератор (ОГ).

shema_modulya
Структурная схема модуля цифровой обработки

Структура передаваемого в сигналах Galileo потока служебной информации предполагает избыточное кодирование на основе FEC (Forward Error Correction), по аналогии с системами SBAS. Таким образом, для извлечения информационных битов из принимаемого потока данных в приемнике должен использоваться декодер Витерби. В новых приемниках, разработанными и серийно выпускаемые нашим предприятием совместно с нашими партнерами ГП «Оризон-Навигация» (г. Смела, Украина) и ЗАО «КБ Навис» (г. Москва, Россия) данная задача была успешно решена на программном уровне. Учитывая высокую скорость потоков и большое число каналов приема данных из сигналов Galileo (L1, E5a, E5b) рассматривается вопрос о включении декодера Витерби в аппаратную часть коррелятора, что позволит уменьшить нагрузку на центральный процессор.

Среди характеристик навигационных систем достоверность поставляемой информации в последнее время выходит на передний план, в некотором смысле не уступая по значимости другим основным характеристикам и даже иногда опережая их. В основном это касается потребителей GNSS в связи с использованием системы GNSS как основного средства навигации. Для таких потребителей, функция обеспечения целостности должна быть изначально заложена в приемник GNSS (это требование введено в перечень необходимых международными организациями ICAO и IMO). Поэтому SoL приемник должен выполнять контроль целостности как жизненно необходимую функцию, без которой он не будет удовлетворять требованиям обеспечения безопасности жизни.

Технология контроля целостности приемника предусматривает развитие алгоритма контроля целостности всей обрабатываемой информации с учетом данных от внешних систем. Развитие технологии контроля целостности базируется на существующих наработках по реализации алгоритма RAIM, реализованного в серийно выпускаемых GNSS приемниках.

Повышение точности навигационных определений SoL приемника при использовании GNSS, вызванное ужесточением требований к навигационной аппаратуре используемой как основное средство навигации, может быть достигнуто при применении дифференциального режима. Дифференциальный режим работы приемника SoL, как и других типов приемника, основан на методе дифференциальной навигации. Исходя из тенденции развития GNSS, в структуре документов ICAO и IMO по дифференциальному режиму предусмотрены зарезервированные предложения для будущих использований. Поэтому при введении в эксплуатацию системы Galileo необходимо будет внести изменения в стандарты в части использования зарезервированных предложений для вещания поправок Galileo. Перечень данных, передаваемых в составе поправок, их состав и механизм использования должны быть проработаны дополнительно и внесены в проект изменений к стандартам. Проект изменений должен быть рассмотрен и утвержден в установленном порядке.

Вывод: Основываясь на опыте работ в области разработки GPS/GLONASS/SBAS аппаратуры различного назначения, существуют все предпосылки к созданию приемника класса Safety of Life с использованием сигналов СНС Galileo для обеспечения построения аппаратуры потребителей спутниковых навигационных систем различного направления (авиационного в том числе). График разработки, изготовления и тестирования прототипа приемника класса Safety of Life представлен на рисунке.

grafik
График разработки, изготовления и тестирования прототипа приемника класса Safety of Life

К моменту начала развертывания группировки СНС Galileo (2008 - 2009 г) мы будем располагать прототипом приемника, который позволит проверить ключевые решения в реальной среде и начать подготовку к разработке серийного приемника для создания аппаратуры класса Safety of Life.

Литература

  1. "Galileo standardization document for 3GPP". Quebec, Canada, May 23-27 2005
  2. "GAL-ICD-GLI-SYST-A/0258, issue 10 28.09.2005", SIGNAL IN SPACE INTERFACE CONTROL DOCUMENT SIS-ISD
  3. S. Ganguly, A. Jovancevic, "Interoperability Study Between GPS and Galileo Signals", Proceedings of ION 2003
  4. S. Ganguly, A. Jovancevic, J. Noronha, "Interoperability Between GPS and Galileo", Proceedings of ION 2004