CC BY
127
УДК 629.7.351
АППАРАТНЫЕ И ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА МОДЕЛИРОВАНИЯ СПУТНИКОВЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СИГНАЛОВ
Е.Е. НЕЧАЕВ
Статья представлена доктором технических наук, профессором Рубцовым В.Д.
В статье рассмотрены способы моделирования спутниковых сигналов.
Ключевые слова: моделирование, спутниковые навигационные системы, КМБЛ.
При разработке аппаратуры спутниковых навигационных систем возникает проблема моделирования сигналов ОРБ-приемника. При этом возможны два типа используемой модели:
- аппаратная модель;
- программная модель.
Аппаратная модель представляет собой устройство, выходной сигнал которого в точности соответствует выходному сигналу реального устройства с учетом задаваемых для устройства исходных данных.
В качестве аппаратной модели может применяться имитатор сигналов спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС/ОРБ/ОЛЬГЬБО, производимый ЗАО «КБ НАВИС», Москва [1]. Внешний вид имитатора показан на рис. 1.
Рис. 1. Имитатор навигационных систем
Имитатор сигналов (ИС) спутниковых навигационных систем (СНС) ГЛОНАСС, GPS, GALILEO предназначен для проверки и испытаний аппаратуры различного назначения на соответствие заданным техническим требованиям на этапе разработки, производства, сертификации, эксплуатации, при проведении регулировочных и ремонтных работ, в том числе в составе интегрированных навигационно-управляющих систем.
Основные технические характеристики:
- имитируемые СНС: ГЛОНАСС, GPS, SBAS, GALILEO;
- количество каналов имитации (один на каждый НС) - 32;
- погрешность установки несущей частоты НС не более 80 Г ц;
- погрешность формирования псевдодальности не более 10 см;
- погрешность установки выходного уровня не более 0,5 дБ;
- отображение траектории движения на фоне цифровой карты;
- имитация сложных динамических движений в любом географическом районе Земли с высотами от минус 1 км до плюс 5 000 км.
Для целей разработки устройства обработки сигналов спутниковых систем в качестве источника сигнала можно использовать также стандартный ОРБ-приемник, например 01 оЬаіБаї ВЦ-353 (рис. 2).
Ч
Рис. 2. Приемник спутниковых сигналов GlobalSat BU-353
Данный приемник обеспечивает хорошие характеристики за счет использования современного чипа SirfStar III. Наличие интерфейса USB позволяет применять в качестве потребителя ноутбук с установленным программным обеспечением.
Недостатком данного устройства при использовании его при разработке системы обработки сигналов является невозможность воспроизведения необходимых параметров — получаемые значения координат всегда будут соответствовать координатам текущего местоположения приемника.
Этого недостатка лишен имитатор сигналов спутниковых систем ЗАО «КБ НАВИС» — устройство позволяет задавать практически любую траекторию движения исходного объекта, но, в свою очередь, предназначено больше для профессионального применения в целях сертификации оборудования.
Таким образом, для целей разработки целесообразно использовать программные средства.
Достоинства программных средств моделирования сигналов спутниковых систем [2]:
1. Возможность использования произвольных параметров объекта, таких как исходные координаты, скорость движения, траектория движения.
2. Высокая точность воспроизводимой информации.
3. Отсутствие ошибок в основном режиме работы, но при этом возможность добавления ошибок в результат для наилучшего тестирования работоспособности исследуемой системы.
4. Минимальные затраты, отсутствие необходимости покупки дорогостоящего оборудования.
К недостаткам программного метода моделирования спутниковых сигналов можно отнести
отсутствие взаимодействия с реальным объектом.
На ранних этапах проектирования данным недостатком можно пренебречь.
Сигнал от программных и аппаратных систем моделирования целесообразно получать в виде сообщений по протоколу NMEA [3]. Национальная ассоциация морской электроники (National Marine Electronics Association - NMEA) разработала специальный протокол для поддержания совместимости морского навигационного оборудования различных производителей. Этот NMEA протокол описывает не только данные, полученные с GPS приемников, но и измерения сонаров, радаров, электронных компасов, барометров и других навигационных устройств. Некоторые из NMEA сообщений могут содержать одинаковые поля данных, либо полностью содержать данные других, меньших по размеру, NMEA сообщений.
Для обработки информации о текущем местоположении воздушного судна целесообразно использовать сообщение вида RMC (рекомендованный минимальный набор GPS данных). Структура сообщения RMC:
$GPRMC, hhmmss. ss,A,llll.ll, a,yyyyy.yy, a, x. x, x. x, xxxxxx, x. x, a, a *hh Полями данного предложения являются:
1. hhmmss.ss - время;
2. A - статус (A/V);
3. llll.ll,a - широта, N/S;
4. yyyyy.yy,a - долгота, E/W;
5. x.x - скорость в узлах;
6. x.x - курс в градусах;
7. xxxxxx - дата: dd/mm/yy (день/месяц/год);
8. x.x,a - магнитное склонение в градусах, E/W;
9. a - индикатор режима: A = автономная обсервация; D = дифференциальный режим; N = данные недостоверны.
Обязательным атрибутом в конце любого NMEA сообщения является поле «Контрольная сумма» (a*hh), позволяющее осуществлять предварительную верификацию получаемых данных.
В качестве программной модели спутникового сигнала рассмотрим приложение GPS Generator, разработанное фирмой Avangardo, США [4]. Главное окно программы показано на рис. 3.
Н8 Avangardo GPS generator pro - [not registered] | т=гг|НжГ~11й£3и1
File Data Transmission Help
p Show all Mirror | | |н| Calculate CRC | RMC |
Map mode | File mode |_
[ ppen Map File.I ► GP5SL Speed: I
Ф kph © knots 0
Altitude, m: 100.00
Start point Latitude:
0 [= ° 0.00 |= 1 [n__
Longitude:
0 |= ° 0.00 1 [e
(double click map to setup)
NMEA output A
CUT HERE -— *
- NMEA log file from Avangardo GPS Generator
- http://avangardo.com
-— CUT HERE -—
Ion; 163”29.15!Wj lat: 80D23.51'N
Рис. 3. Главное окно программы GPS Generator
Виртуальный GPS-приемник программы работает без наличия видимых спутников. Программа эмулирует работу приемника GPS (координаты, скорость перемещения, качество приема и количество спутников) и выдает GPS данные, основанные на протоколе NMEA.
Программа может быть настроена для получения определенного NMEA сообщения в определенной последовательности с определенной частотой.
Выходные сообщения могут быть переданы в COM-порт компьютера (существует возможность использования виртуального порта) или в файл. В сообщения можно внедрить определенное количество ошибок для проверки согласования источника и приемника.
Сохраненный в файл сценарий полета виртуального воздушного судна можно использовать бесконечно количество раз при отладке программы обработки спутникового сигнала.
Программа позволяет также считывать текстовые файл с сообщениями NMEA и отображать траекторию движения объекта на карте.
Программа GPS Generator имеет бесплатную версию, которая имеет некоторые ограничения, несущественные при использовании программы для отладки разрабатываемой системы обработки спутникового сигнала.
Версия программы без ограничений имеет стоимость, не превышающую стоимость одного GPS-приемника.
Выводы
Для разработки систем обработки спутниковых сигналов необходимо моделирование сигналов спутников. Для этих целей разработаны программные и аппаратные комплексы. Аппаратные комплексы моделирования имеют свои преимущества, но в то же время и недостатки за счет высокой стоимости и невозможности отработки произвольных траекторий движения объекта. На первоначальных этапах проектирования системы обработки спутниковых сигналов целесообразно использовать программные комплексы моделирования спутникового сигнала, одним из которых является программа GPS Generator.
ЛИТЕРАТУРА
1. Официальный интернет-сайт ЗАО «КБ «НАВИС» http://www.navis.ru.
2. Нечаев Е.Е. Нелинейная фильтрация навигационных параметров спутниковых навигационных систем. Труды IX Международной научно-технической конференции «Авиа-2009». - Национальный авиационный университет, Киев, Украина. - Т. 1.
3. The NMEA 0183 Protocol - National Marine Electronics Association.
4. GPS Generator Pro User Manual - Avangardo corp., 2010.
HARDWARE AND SOFTWARE SIMULATION OF SATELLITE NAVIGATION SIGNALS
Nechaev E.E.
The article discusses ways of modeling of satellite signals.
Key words: modeling, satellite navigation systems, NMEA.
Сведения об авторе
Нечаев Евгений Евгеньевич, 1986 г.р., окончил МАИ (2008), аспирант кафедры УВД МГТУ ГА, автор 4 научных работ, область научных интересов - цифровая обработка сигналов, управление воздушным движением, радионавигация.
