Основы построения спутниковых радионавигационных систем (дисциплина)

Задача данного курса - сформировать общее представление о спутниковых радионавигационных системах (СРНС). Предполагается подача материала в последовательности: от потребности к формулировке задачи, от задачи к применяемым решениям.

В вводной лекции кратко излагается история развития СРНС: первый спутник, системы первого поколения (Транзит, Циклон, Цикада), нынешние системы второго поколения (NAVSTAR GPS, ГЛОНАСС и т.д.). Обсуждаются требования к системам второго поколения. Приводится представление СРНС как совокупности трех систем: системы космических аппаратов, системы контроля и управления, навигационной аппаратуры потребителей. Кратко описываются особенности этих систем в СРНС NAVSTAR GPS и ГЛОНАСС. Описываются общие принципы построения навигационной аппаратуры потребителей (НАП). Приводятся примеры различных сфер применения СРНС.

Во второй лекции приводится классификация и описание методов навигационных определений, приводятся примеры.

Третья лекция посвящена способам описания положения и ориентации объекта в пространстве. Вводятся различные пространственные системы координат, используемые в СРНС: локальная, связанная с объектом, ECI, ECEF, геодезические и т.д. Обсуждаются проблемы, связанные с определением систем координат. Студенты знакомятся с понятиями датума и картографческой проекции.

На четвертой лекции осуществляется переход от пространственных систем координат к временным - шкалам времени. Приводится классификация различных шкал: абсолютное время, астрономическое, атомное, динамическое. Рассматриваются основные шкалы времени в СРНС GPS и ГЛОНАСС: системная, бортовая, шкала приемника. Поднимаются вопросы использования СРНС как источника точного времени.

Календарный план

Календарный план ОП СРНС

№	Дата	Лекции	Расчетные задания	Лабораторные работы
1	06.09	История развития СРНС. Структура современных СРНС.
2	13.09	Методы навигационных определений. (с завершением предыдущей)
3	20.09	Пространственные системы координат
4	27.09	(продолжение)
5	04.10	Шкалы времени		Продемонстрировать расхождение шкал времени двух приборов
6	11.10	Псевдодальность, псевдоскорость, псевдофаза
7	18.10		Решение навигационной задачи	Псевдодальномерный метод позиционирования
8	25.10	Требования, предъявляемые к навигационным сигналам
9	01.11	Собрание по теме бакалаврских работ
10	08.11	Математическое описание сигналов различных СРНС (Включая энергетику, разброс Доплера и т.д.)	Расчет внутрисистемных помех. Расчет потенциальной точности оценок задержки. И т.д.	Формирование сигнала ГЛОНАСС СТ в Matlab и его сравнение с сигналом имитатора
11	15.11			Формирование дальномерного кода сигнала GPS C/A
12	22.11			Формирование навигационного сигнала
13	29.11	Навигационное сообщение (на примере сообщения GPS C/A)
14	06.12
15	13.12
16	20.12
17	27.12	Основы построения аппаратуры потребителей СРНС Подсистема контроля и управления СРНС Подсистема космических аппаратов Орбитальное движение космических аппаратов	Расчет орбиты НКА по выделенным эфемеридам

Идеи

• Добавить лекцию/практику/лабу по стандартам протоколов приемников - NMEA, RINEX, пример бинарного протокола.

2013 год

Занятие 1 (06.09)

Проводилось в соответствии с задумкой. Пожелания на будущее - дополнить материал. Обзор приложений сделать не успел за лекцию, перенес на второе занятие.

Занятие 2 (13.09)

Первая треть пары - окончание предыдущей лекции. Далее по теме.

Занятие 3 (20.09)

Комментарии тут: Пространственные системы координат (ОП СРНС, лекция)#Замечания на будущий год

Занятие 4 (27.09)

Комментарии всё там же.

Занятие 5 (04.10)

Комментарии: Шкалы времени (ОП_СРНС, лекция)#Практика первого года

Занятие 6 (11.10)

Комментарии: Псевдодальность, псевдоскорость, псевдофаза (ОП СРНС, лекция)#Опыт первого года

Занятие 7 (18.10)

Комментарии: Псевдодальномерный метод позиционирования (лабораторная работа)#Опыт первого занятия

Занятие 8 (25.10)

Комментарии: Требования, предъявляемые к навигационным сигналам (ОП СРНС, лекция)#Опыт

Занятие 9 (01.11)

Собрание по темам бакалаврских работ.

Занятие 10 (08.11)

Продолжил тему восьмого занятия с учетом сформированных замечаний.

Занятие 11 (15.11)

На основании ИКД GPS и краткого рассказа студенты формировали дальномерные коды. Каждый для своего спутника. Использовали Matlab (много времени ушло на вводный курс в него). Код - 10-15 строчек, но ушла вся пара. Результаты сохранили для следующей лабораторной работы.

Контрольные вопросы:

1. Запишите обобщенную математическую модель спутникового радионавигационного сигнала. Какой диапазон значений принимают параметры модели для сигналов ГЛОНАСС СТ L1, GPS C/A L1.
2. Какими характеристиками обладают дальномерные коды? Чем отличаются дальномерные коды приведенных сигналов? Какие характеристики системы определяют свойства дальномерных кодов?
3. Для чего в навигационных системах используется модуляция сигналов дальномерным кодом?
4. Как формируются дальномерные коды перечисленных сигналов?

Занятие 12 (22.11)

Сформированные последовательности дальномерного кода применили в деле. С их помощью на векторном генераторе формировали навигационный сигнал (без учета навигационного сообщения) и обрабатывали его приемником. Всё на основании лабника, за исключением последнего пункта с осциллографом. Большой упор на освоение инструментов - векторного генератора и спектроанализатора. Объяснение принципа их работы.

Формирование навигационного сигнала: 1) Спектральная плотность мощности сигналов GPS L1 C/A 2) Спектральная плотность мощности сигналов ГЛОНАСС L1 СТ 3) Устройство векторного генератора и принцип формирования навигационного сигнала с его помощью (суметь сформировать сигнал с заданной модуляцией в лаборатории) 4) Принцип работы анализатора спектра (суметь получить спектральную плотность мощности сигнала)

Занятие 13 (29.11)

Можно было бы проверить отчеты по лабораторке, но до этого руки не дошли. Ребята час разбирались с осциллографом. Я рассказывал как он устроен, о синхронизации.

По навигационной теме:

• Нарисовали то, что ожидаем увидеть
• Сверили I с осциллограммой
• Посмотрели как модулируется несущая

Далее на доске ещё раз напомнил обобщенную модель навигационных сигналов. Составил сводную табличку по сигналам стандартной точности L1: коды, частоты, спектры.

Пошли наблюдать спектры совокупности сигналов ГЛОНАСС и GPS.

Занятие 14 (06.12.13)

Разбирали структуру навигационного сообщения GPS C/A. SuperFrame->Frame->Subframe->Word->bit. TLM и HOW. Посмотрели модулирующий сигнал на осциллографе. Посчитали битовую скорость. Сравнили с чиповой скоростью. Впечатлились.

Далее выдал запись битового потока (7500 бит) с приемника. Поставил задачу установить subframe'овую синхронизацию, проверить четность, выделить GPS Time. Они освоились в разделах ИКД, взяли задачу на дом.

Контрольные вопросы: 1) Структура навигационного сообщения сигнала GPS C/A (структура суперкадра, кадра, подкадра и т.д. на основе ИКД, их длительности и содержание) 2) Содержание слова TLM 3) Содержание слова HOW