Помехоустойчивость навигационных модулей (лабораторная работа)
Цели работы
- Ознакомиться с современными образцами навигационной аппаратуры потребителя, их интерфейсными программами;
- Освоить методику оценивания помехоустойчивости и чувствительности навигационной аппаратуры потребителей спутниковых радионавигационных систем;
- Развить навыки использования радиотехнических измерительных приборов.
Общая информация
Основные понятия
Объектом проведения экспериментальных исследований является модуль навигационного приемника (далее по тексту ― модуль НП, навигационный модуль), работающий в составе навигационной аппаратуры потребителей (НАП) (см. рис. 1).
Под помехоустойчивостью модуля НП понимается его способность работать в условиях воздействия внешних помех. В качестве характеристики помехоустойчивости принимается граничное (наибольшее) значение отношения мощности помехового сигнала к мощности полезного сигнала
- (1)
на входе модуля НП, при котором модуль НП еще может решать целевую задачу с заданными характеристиками. Здесь — мощность полезного сигнала одного навигационного спутника на выходе антенны, — мощность помеховых сигналов на выходе антенны. Если мощности навигационных сигналов не равны, то - мощность самого слабого сигнала из участвующих в навигационном решении.
Под заданными характеристиками решения целевой задачи понимается выдача навигационного 3D-решения без перерывов, превышающих 10-секундный интервал.
Параметр , который называется коэффициентом подавления НП, удобно характеризовать в децибелах, т.е.
- дБ. (2)
- дБ.
Основными путями повышения помехозащиты НАП являются:
- введение избыточности по навигационным сигналам, т.е. увеличение числа принимаемых и обрабатываемых навигационных сигналов, в том числе от различных глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС);
- прием и обработка перспективных двухкомпонентных (пилот и данных) сигналов ГНСС;
- использование высококачественных комплектующих и элементной базы;
- оптимизация алгоритмов обработки сигналов в НАП;
- комплексирование НАП ГНСС с другими информационными системами и в первую очередь с инерциальной навигационной системой (ИНС);
- частотная селекция (компенсация) помех;
- пространственная селекция (подавление) помех с использованием антенных решеток с управляемой диаграммой направленности.
Схемы экспериментальных установок
На рис. 2 представлена схема экспериментальной установки, предназначенной для измерения характеристик аттенюатора, на рис. 3 - разветвителя с соединительными кабелями и отсечкой постоянного тока. На рис. 4 представлена основная схема проведения экспериментов по измерению помехоустойчивости и чувствительности навигационных модулей.
Рисунок 2 - Схема экспериментальной установки для измерения характеристик разветвителя
Рисунок 3 - Схема экспериментальной установки для измерения характеристик аттенюатора
Рисунок 4 - Схема экспериментальной установки для измерения чувствительности и помехоустойчивости навигационных модулей
На схемах | Прибор | Пример | Функция | Кол-во |
---|---|---|---|---|
1 | Генератор навигационного сигнала | R&S SMBV, R&S SMU | Имитация навигационных сигналов | 1 |
2 | Генератор помехового сигнала | R&S SMBV, R&S SMU, R&S SMC (только гармонические) | Генерация помеховых сигналов: гармонических, шумовых, сигналоподобных. | 1 |
3 | Анализатор спектра | R&S FSV, R&S FSU | Измерение мощности навигационного сигнала, помехи, калибровочных сигналов | 1 |
4 | ВЧ-сумматор/разветвитель L-диапазона | MiniCircuits ZAPD-2DC-S+ | Суммирование помехового и навигационного сигналов; разветвление суммарного сигнала к анализатору спектра и навигационному модулю | 2 |
5 | Аттенюатор 30 дБ L-диапазона | MiniCircuits VAT-30+ | Ослабление сигнала до уровня, соответствующему выходной мощности приемной антенны навигационной аппаратуры потребителей | 2 |
6 | Малошумящий усилитель (МШУ) | MiniCircuits ZRL-2400LN+ | Имитация МШУ навигационной аппаратуры потребителей | 1 |
7 | DC-Block (отсечка постоянного тока) | MiniCircuits BLK-89-S+ | Предотвращение подачи постоянного напряжения от навигационного модуля к аттенюаторам | 1 |
8 | Модуль навигационного приемника | Объект исследования | 1 | |
9 | Персональный компьютер с интерфейсными кабелями | Выполнение интерфейсной программы, обмен данными с навигационными модулями, питание навигационных модулей. | 1 | |
10 | Соединительные кабели L-диапазона | Соединение генераторов и сумматора, соединение сумматоров, соединение аттенюатора и МШУ, соединение МШУ и навигационного модуля, соединение разветвителя и спектроанализатора. | 6 | |
11 | Источник питания | GW Instek GPS-4303 | Питание МШУ, навигационных модулей | 1 |
Лабораторное задание
Для проведения экспериментального исследования помехоустойчивости модуля НП выполните подготовительные этапы 1, 2, а затем выполните пункты методики, соответствующие составленному плану экспериментальных исследований. Результаты фиксируйте в протоколе.
1 Определение коэффициента передачи аттенюатора
1.1 Собрать экспериментальную установку для измерения характеристик аттенюатора согласно рис. 2. В качестве аттенюатора использовать сборный с номинальным коэффициентом ослабления 50-60 дБ.
1.2 Включить генератор навигационного сигнала (ГНС), анализатор спектра (далее АС). Перевести АС в режим измерения мощности в полосе равной полосе используемого навигационного сигнала. Дальнейшие измерения мощности с помощью АС проводить в этом режиме, устанавливая в качестве центральной частоты анализа центральную частоту навигационного или помехового сигнала.
1.3 С помощью ГС и АС определить коэффициент ослабления аттенюатора , дБ. При включенном в схему аттенюаторе установить на ГС формирование синусоидального сигнала с частотой, равной центральной частоте рабочего диапазона (для ГЛОНАСС L1 1602,0 МГц, для GPS L1 1575,42 МГц) и мощностью, измеряемой АС, = - 70 дБм. Исключить их схемы аттенюатор - соединить разветвитель и АС. Измерить мощность синусоидального сигнала с помощью АС. Найти . Занести значение (положительное число) в протокол.
2 Определение разности коэффициентов передачи разветвителя
2.1 Собрать экспериментальную установку для измерения характеристик разветвителя согласно рис. 3.
2.2 Установить на ГНС формирование синусоидального сигнала с частотой, равной центральной частоте рабочего диапазона (для ГЛОНАСС L1 1602,0 МГц, для GPS L1 1575,42 МГц) и мощностью, измеряемой АС, = - 60 дБм. Текущий выход разветвителя, соединенный с АС, считать первым.
2.3 Перекоммутировать выходы разветвителя (при возможности, вместе с соединительными кабелями). Измерить мощность сигнала с помощью АС. Текущий выход разветвителя, соединенный с АС, считать вторым.
2.4 Определить разность коэффициентов передачи разветвителя как , зафиксировать полученное значение в протоколе. В дальнейшем второй выход использовать для подключения к АС, первый - к МШУ.
3 Определение помехоустойчивости навигационного модуля в условии холодного старта
3.1 При необходимости выполнить пункты подготовки 1, 2, занести полученные значения , в протокол.
3.2 Занести в протокол параметры, использующиеся при проведении экспериментов:
- Т1 = 60 сек;
- Т2 = 300 сек.
3.3 Собрать экспериментальную установку согласно рис. 4.
3.4 Включить ЭВМ и запустить ПО для отображения, сохранения и установки параметров модуля НП.
3.5 На ГНС запустить требуемый сценарий имитации. Установить уровень сигнала ГНС (далее навигационный сигнал) для каждого спутника равным = -125 + + ± 1 дБм по измерениям АС. Занести измеренное значение в протокол.
3.6 Включить модуль НП.
3.7 Установить связь ЭВМ с модулем НП. Задать параметры работы в соответствии с планом проведения экспериментальных исследований:
- система (ГЛОНАСС или GPS);
- частотный диапазон (L1);
- тип сигналов (СТ или C/A).
3.8 Через 2 минуты убедиться, что модуль НП в течение 2 минут выдает навигационное 3D-решение без перерывов, превышающих 10 сек. Если условие не выполняется, проверить правильность выполнения пунктов 1, 2, 3.2-3.7. Если проверка не выявила нарушений пунктов методики, записать в качестве оценки параметра = 0. Сообщить преподавателю. Перейти к следующему пункту плана экспериментальных исследований.
3.9 Выключить модуль НП и ВЧ выход ГНС.
3.10 Установить на генераторе помехового сигнала (далее ГПС) соответствующие экспериментальному исследованию тип и параметры выходных сигналов (далее помеховых сигналов) в соответствии с Приложением B.
3.11 Включить выход ГПС, контролируя значения по АС установить мощность помехового сигнала на втором выходе разветвителя = - 70 дБм + . Полоса измерения АС должна быть согласованной с полосой соответствующего навигационного сигнала при каждом измерении.
3.12 Включить ВЧ выход ГНС, затем включить модуль НП. Установить связь ЭВМ с модулем НП и задать параметры работы как в п. 3.7.
3.13 С помощью общего регулятора мощности ГПС синхронно уменьшать мощность помехового сигнала на 3 дБ (по показаниям ГПС или АС) через каждый интервал времени T1, контролируя отсутствие выдачи навигационного 3D-решения. Когда модуль НП начнет выдавать навигационное 3D-решение, выключить ВЧ выход ГНС. Измерить с помощью АС мощность помехового сигнала. Занести в протокол измеренную мощность помехового сигнала .
3.14 Установить мощность помехового сигнала на втором выходе разветвителя + 10 дБм по измерениям АС. Перезапустить сценарий имитации на ГНС, включить ВЧ выход ГНС.
3.15 Выключить и включить модуль НП, установить связь ЭВМ с модулем НП и задать параметры работы как в п. 3.7. Выждать время Т2, убедиться в отсутствии навигационного 3D-решения. Если навигационное 3D-решение всё же выдается, то повторить п.п. 3.14-3.15, увеличив мощность помехового сигнала на 3 дБ с помощью общего регулятора мощности ГПС.
3.16 Уменьшить мощность помехи на 1 дБ, выждать время Т2, проконтролировать наличие/отсутствие навигационного 3D-решения на выходе НП.
3.17 При отсутствии навигационного 3D-решения в течение 2 минут без перерывов, превышающих 10-секундный интервал, повторить пп. 3.15-3.17.
3.18 При наличии навигационного 3D-решения в течение 2 минут без перерывов, превышающих 10-секундный интервал, зафиксировать граничное значение мощности дБм помехового сигнала.
3.19 Рассчитать коэффициент подавления НП по формуле (дБ). Зафиксировать рассчитанное значение в протоколе.
3.20 Набрать статистику значений из 5 экспериментов повторяя выполнение пп. 3.14-3.18. Выполнение п. 3.14 допускается начинать с установки + 2 дБм, где - граничное значение мощности помехового сигнала, полученное в предыдущем эксперименте по набору статистики.
3.20 Рассчитать среднеарифметическое значение по полученным значениям , . Зафиксировать рассчитанное значение в протоколе.
4 Определение помехоустойчивости навигационного модуля в условии слежения
4.1 При необходимости выполнить пункты подготовки 1, 2, занести полученные значения , в протокол.
4.2 Занести в протокол параметры, использующиеся при испытаниях:
- Т1 = 30 секунд;
- Т2 = 120 секунд.
4.3 На ГНС запустить требуемый сценарий имитации. Установить уровень сигнала ГНС (далее навигационный сигнал) для каждого спутника равным = -125 + + ± 1 дБм по измерениям АС. Занести измеренное значение в протокол.
4.4 Собрать экспериментальную установку согласно рис. 4. Включить ЭВМ и запустить ПО для отображения, сохранения и установки параметров модуля НП.
4.5 Включить модуль НП.
4.6 Установить связь ЭВМ с модулем НП. Задать параметры работы:
- система (ГЛОНАСС или GPS);
- частотный диапазон (L1);
- тип сигналов (СТ или C/A).
4.7 Через 2 минуты убедиться, что модуль НП в течение 2 минут выдает навигационное 3D-решение без перерывов, превышающих 10 сек. Если условие не выполняется, проверить правильность выполнения пунктов 1, 2, 4.3-4.6. Если проверка не выявила нарушений пунктов методики, записать в качестве оценки параметра = 0. Сообщить преподавателю. Перейти к следующему пункту плана экспериментальных исследований.
4.8 Выключить модуль НП и ВЧ выход ГНС.
4.9 Установить на ГПС соответствующий экспериментальному исследованию тип и параметры выходного сигнала (далее помехового сигнала) в соответствии с Приложением B.
4.10 Включить выход ГПС, контролируя значения по АС установить мощность помехового сигнала на втором выходе разветвителя = - 110 дБм + . Полоса измерения АС должна быть согласованной с полосой соответствующего навигационного сигнала при каждом измерении.
4.11 Включить модуль НП, установить связь ЭВМ с модулем НП и задать параметры работы как в п. 4.6. Через 2 минуты убедиться, что модуль НП в течение 2 минут выдает навигационное 3D-решение без перерывов, превышающих 10 сек.
4.12 С помощью общего регулятора выходной мощности ГПС увеличивать мощность помехи на выходе ГС на 3 дБ через каждый интервал времени Т1 до тех пор, пока модуль НП не перестанет выдавать навигационное 3D-решение. Выключить ВЧ выход ГНС. Измерить с помощью АС мощность помехового сигнала. Занести в протокол измеренную мощность помехового сигнала .
4.13 Отключить ВЧ выход ГПС. Выключить модуль НП. Включить ВЧ выход ГНС. Перезапустить сценарий имитации на ИС.
4.14 Включить модуль НП, установить связь ЭВМ с модулем НП и задать параметры работы как в п. 4.6.
4.15 Через 2 минуты убедиться, что модуль НП в течение 2 минут выдает навигационное 3D-решение без перерывов, превышающих 10 сек.
4.16 При испытаниях на помехоустойчивость в некогерентном/когерентном режиме слежения, перевести модуль НП в некогерентный/когерентный режим с помощью интерфейсного ПО на ПК.
4.17 Контролируя значения по АС установить мощность помехового сигнала на втором выходе разветвителя = – 6 дБм. Включить выходной сигнал ГПС. Через 2 минуты убедиться, что модуль НП в течение 2 минут выдает навигационное 3D-решение без перерывов, превышающих 10 сек. Иначе, повторить выполнение п.п 4.13-4.17, уменьшив выходную мощность ГПС на 3 дБ.
4.18 Увеличить мощность помехи на 1 дБ. Проконтролировать, выдает ли модуль НП в течение 2 минут навигационное 3D-решение без перерывов, превышающих 10 сек. Если условие выполняется, повторить п. 4.18.
4.19 При нарушении условия п. 4.18: выключить ВЧ выход ИС, уменьшить выходную мощность помехи на 1 дБ, зафиксировать граничное значение мощности = помехового сигнала по измерениям АС.
4.20 Рассчитать коэффициент подавления НП по формуле (дБ). Зафиксировать рассчитанное значение в протоколе.
4.21 Набрать статистику значений из 5 экспериментов повторяя выполнение пп. 4.13-4.20. Выполнение п. 3.17 допускается начинать с установки - 3 дБм, где - граничное значение мощности помехового сигнала, полученное в предыдущем эксперименте по набору статистики.
4.22 Рассчитать среднеарифметическое значение по полученным значениям , . Зафиксировать рассчитанное значение в протоколе.
6 Определение чувствительности навигационного модуля в условии слежения
6.1 При необходимости выполнить пункты подготовки 1, 2, занести полученные значения , в протокол.
6.2 Занести в протокол параметры, использующиеся при испытаниях:
- Т1 = 30 секунд;
- Т2 = 120 секунд.
6.3 Собрать экспериментальную установку согласно рис. 4. На ГНС запустить требуемый сценарий имитации. Установить уровень сигнала ГНС (далее навигационный сигнал) для каждого спутника равным = -125 + + ± 1 дБм по измерениям АС.
6.4 Включить ЭВМ и запустить ПО для отображения, сохранения и установки параметров модуля НП.
6.5 Включить модуль НП, выключить ГПС.
6.6 Установить связь ЭВМ с модулем НП. Задать параметры работы:
- система (ГЛОНАСС или GPS);
- частотный диапазон (L1);
- тип сигналов (СТ или C/A).
6.7 Через 2 минуты убедиться, что модуль НП в течение 2 минут выдает навигационное 3D-решение без перерывов, превышающих 10 сек. Если условие не выполняется, проверить правильность выполнения пунктов 1, 2, 6.3-6.6. Если проверка не выявила нарушений пунктов методики, сообщить преподавателю. Перейти к следующему пункту плана экспериментальных исследований.
6.8 С помощью общего регулятора выходной мощности ГНС уменьшать мощность навигационного сигнала на 3 дБ через каждый интервал времени Т1 до тех пор, пока модуль НП не перестанет выдавать навигационное 3D-решение. Измерить с помощью АС мощность навигационного сигнала одного спутника. Занести в протокол измеренную мощность навигационного сигнала .
6.9 Перезапустить сценарий имитации на ИС.
6.10 Выключить и включить модуль НП, установить связь ЭВМ с модулем НП и задать параметры работы как в п. 6.6.
6.11 Через 2 минуты убедиться, что модуль НП в течение 2 минут выдает навигационное 3D-решение без перерывов, превышающих 10 сек.
6.12 При испытаниях на помехоустойчивость в некогерентном/когерентном режиме слежения, перевести модуль НП в некогерентный/когерентный режим с помощью интерфейсного ПО на ПК.
6.13 Контролируя значения по АС установить мощность навигационного сигнала одного спутника на втором выходе разветвителя = + 6 дБм. Через 2 минуты убедиться, что модуль НП в течение 2 минут выдает навигационное 3D-решение без перерывов, превышающих 10 сек. Иначе, повторить выполнение п.п 6.9-6.13, увеличив выходную мощность ГНС на 3 дБ.
6.14 Уменьшить мощность навигационного сигнала на 1 дБ. Проконтролировать, выдает ли модуль НП в течение 2 минут навигационное 3D-решение без перерывов, превышающих 10 сек. Если условие выполняется, повторить п. 6.14.
6.15 При нарушении условия п. 6.14: увеличить выходную мощность навигационного сигнала на 1 дБ, зафиксировать граничное значение мощности = навигационного сигнала по измерениям АС.
6.16 Набрать статистику значений из 5 экспериментов повторяя выполнение пп. 6.9-6.15. Выполнение п. 6.13 допускается начинать с установки + 3 дБм, где - граничное значение мощности навигационного сигнала, полученное в предыдущем эксперименте по набору статистики.
6.17 Рассчитать среднеарифметическое значение по полученным значениям , . Зафиксировать рассчитанное значение в протоколе.
Контрольные вопросы
- Какова мощность навигационного сигнала системы ГЛОНАСС, NAVSTAR GPS на выходе антенны в условиях прямой видимости согласно ИКД? В каких пределах может изменяться мощность навигационного сигнала одного спутника на выходе антенны НАП для каждой из систем?
Приложение А. Бланк протокола
Бланк протокола доступен к скачиванию.
Помехоустойчивость поиска
Протокол экспериментальных исследований помехоустойчивости модуля НП _________________ в режиме поиска сигналов
Тип навигационных сигналов | |
Тип помехи | |
Сценарий движения потребителя |
1. Параметры:
Т1 = 60 сек
Т2 = 300 сек
2. Коэффициент ослабления аттенюатора
Кatt = + дБ
Разность коэффициентов передачи разветвителя (2 - 1)
= дБ
3. Мощность сигнала одного спутника по измерениям АС (второй выход разветвителя)
= - дБм.
4. Мощность помехового сигнала по измерениям АС, при котором модуль НП захватил сигналы не менее чем 4 НС и выдавал навигационное 3D-решение в течение 2 минут без перерывов более 10 сек:
= - дБм.
5. Результаты косвенных измерений
№ эксперимента, i | , дБм | , дБ |
---|---|---|
1 | ||
2 | ||
3 | ||
4 | ||
5 |
Параметр | Значение |
---|---|
Среднеарифметическое значение , дБ |
Помехоустойчивость слежения
Протокол экспериментальных исследований помехоустойчивости модуля НП _________________ в режиме слежения
Тип навигационных сигналов | |
Тип помехи | |
Сценарий движения потребителя |
1. Временные параметры:
Т1 =
Т2 = 120 сек
2. Коэффициент ослабления аттенюатора
Кatt = + дБ
Разность коэффициентов передачи разветвителя (2 - 1)
= дБ
3. Мощность сигнала одного спутника по измерениям АС (второй выход разветвителя)
= - дБм.
4. Приближенное значение мощности помехового сигнала по измерениям АС, при котором модуль НП прекращает выдачу навигационного 3D-решения (в течение 2 минут без перерывов более 10 сек):
= - дБм,
5. Результаты косвенных измерений
№ эксперимента, i | , дБм | , дБ |
---|---|---|
1 | ||
2 | ||
3 | ||
4 | ||
5 |
Параметр | Значение |
---|---|
Среднеарифметическое значение , дБ |
Чувствительность поиска
Протокол экспериментальных исследований чувствительности модуля НП _________________ в режиме поиска сигналов
Тип навигационных сигналов | |
Сценарий движения потребителя |
1. Параметры:
Т1 = 60 сек
Т2 = 300 сек
2. Коэффициент ослабления аттенюатора
Кatt = + дБ
Разность коэффициентов передачи разветвителя (2 - 1)
= дБ
3. Мощность навигационного сигнала одного спутника по измерениям АС, при котором модуль НП захватил сигналы не менее чем 4 НС и выдавал навигационное 3D-решение в течение 2 минут без перерывов более 10 сек:
= - дБм,
4. Результаты косвенных измерений граничной мощности сигнала
№ эксперимента, i | , дБм |
---|---|
1 | |
2 | |
3 | |
4 | |
5 |
Параметр | Значение |
---|---|
Среднеарифметическое значение , дБм |
Чувствительность слежения
Протокол экспериментальных исследований чувствительности модуля НП _________________ в режиме слежения
Тип навигационных сигналов | |
Тип помехи | |
Сценарий движения потребителя |
1. Временные параметры:
Т1 =
Т2 = 120 сек
2. Коэффициент ослабления аттенюатора
Кatt = + дБ
Разность коэффициентов передачи разветвителя (2 - 1)
= дБ
3. Приближенное значение мощности навигационного сигнала одного спутника по измерениям АС, при котором модуль НП прекращает выдачу навигационного 3D-решения (в течение 2 минут без перерывов более 10 сек):
= - дБм,
4. Результаты косвенных измерений граничной мощности сигнала
№ эксперимента, i | , дБм |
---|---|
1 | |
2 | |
3 | |
4 | |
5 |
Параметр | Значение |
---|---|
Среднеарифметическое значение , дБм |
Приложение B. Характеристики помех
Приложение C. Описание навигационных модулей
НАВИС NV-08C
НАВИС СН-4706
Навигационный модуль CH-4706 - одноплатный 24-х канальный навигационный приемник, предназначен для интегрирования в различные системы в качестве навигационного датчика. СН-4706 обеспечивает определения текущих значений координат (широты, долготы, высоты), вектора скорости потребителя, а также текущего времени по сигналам СНС ГЛОНАСС, GPS и SBAS.
Основные заявленные характеристики модуля СН-4706 приведены в табл. C.1. Фотография модуля представлена на рис. C.1.
Характеристика | Значение |
---|---|
Год начала серийного производства | 2009 |
Используемые навигационные сигналы | |
Время выдачи первого навигационного решения: - «холодный старт» (отсутствие альманахов СНС) - «теплый старт» (наличие альманахов СНС, координат и времени) - «горячий старт» (наличие альманахов СНС, координат, эфемерид и времени) |
90 c 60 c 15 c |
Чувствительность: | |
Потребляемая мощность | 0.9 Вт |
Масса | 20 г |
Габаритные размеры | 35х35х6мм |
u-blox NEO-6Q
Приложение D. Описание постановщиков помех
Приложение E. Описание интерфейсных программ навигационных модулей
u-center
В качестве одного из исследуемых выступает модуль НП u-blox NEO-6Q производства швейцарской компании u-blox Holding AG. Компания предоставляет специальную интерфейсную программу для управления модулем НП, получения и обработки результатов его работы - u-center.
Взаимодействие между программой u-center и модулем НП организуется посредством USB-интерфейса. Опосредованно от программы распространяется драйвер модуля НП, предназначенный для использования в операционных системах семейства Windows.
Основное окно программы представлено на рис. E.1.
Для установки соединения между программой и модулем НП необходимо подключить приемник к компьютеру и в пункте меню Receiver выбрать соответствующий порт (см. рис. E.2)
Отображение флага выдачи 3D решения в программе u-center производится в окне Data View (см. рис. E.3).
Программа позволяет осуществить перезапуск приемника с помощью команды Coldstart через соответствующий пункт меню Receiver (см. рис. E.4)