SMĚROVÉ A DRUŽICOVÉ SPOJE Laboratorní úloha č. 1
VLASTOSTI DRUŽICOVÉHO NAVIGAČNÍHO SYSTÉMU GPS-NAVSTAR
ZADÁNÍ 1)
Seznamte se s modulem přijímače pro příjem a zpracování navigačních signálů systému GPS-Navstar ORCAM 20 a demonstračním programem pro vizualizaci dat z protokolu SiRF.
2)
Určete přesnou zeměpisnou polohu laboratoře a statisticky definujte přesnost určování polohy laboratoře za daných podmínek. Tyto podmínky specifikujte. Proveďte statistický rozbor zjištěných veličin.
3)
Z údajů přijímače o dosažitelných družicích zjistěte vzdálenost těchto družic od místa příjmu a časový interval mezi vyslanou a přijatou časovou značkou. Využijte predikčního programu WxTrack a srovnejte predikované parametry drah družic a aktuální parametry zjištěné pomocí přijímače ORCAM 20.
4)
Proveďte tentýž výpočet jako v úkolu 3 pro krajní případy poloh viditelnosti GPS družice (elevace 90° a 0°) a určete rozdíl těchto časových intervalů mezi vyslanou a přijatou značkou. Proveďte rozbor určení přesnosti polohy přijímačem v závislosti na přesnosti odečtu času.
5)
Vypracujte přehledný protokol o měření ukončený vlastním závěrem, ve kterém zhodnoťte získané výsledky a poznatky.
TEORETICKÝ ÚVOD Systém GPS-NAVSTAR 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. 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 [1]. 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 signál (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). Nosný vysílací kmitočet je 1575,42 MHz. Mimo výše uvedeného civilního přístupu s PN Goldovými posloupnostmi je k dispozici vojenský systém (autorizaci mají pouze ozbrojené složky USA a někteří vybraní a prověření uživatelé) pracující navíc na nosném kmitočtu 1227,60 MHz [1] (omezení vlivu ionosferické refrakce) s bitovou rychlostí PN 10,23 Mb/s (větší přesnost odečtení času). Přijímač ORCAM 20 Přijímač ORCAM 20 představuje demonstrační modul dvanáctikanálového GPS přijímače s výstupním datovým protokolem SiRF [2]. 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 [2]. 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 COM1 datová rychlost je 57,6 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. Obsluha programu WxTrack Program spusťte ikonou WxTrack na ploše. Po spuštění programu zaměřte svou pozornost na karty Setup, World Map,…. První karta zleva Setup, Položka (1) na Obr. 2, slouží k výběru satelitů, pro které chcete pomocí programu WxTrack zjistit okamžitou polohu. V sekci Choose active satellites… (2) se satelit pro přidání či odebrání volí dvojklikem myší na jeho název. Takto navolte do okénka Active v této sekci požadované satelity GPS. Číslo satelitu SV, které udává program SiRFDemo odpovídá číslu PRN v programu WxTrack. Přesnou polohu laboratoře, coby pozorovacího místa, zkontrolujte a případně opravte na téže kartě Setup v sekci My location details (3). Poté klikněte na druhou kartu World Map (4). Nyní se nacházíte na kartě World Map. Zde se zobrazí všechny satelity, předtím zvolené na kartě Setup. Vlevo dole na kartě World Map je ovládací a informační panel, Obr. 3. Pomocí položky Satellite (1) se volí aktivní satelit. Poté je nutno zvolit v okénku Timeframe položku Real-Time, aby údaje o poloze satelitu, zobrazované v sekci (3) byly správné.
POSTUP MĚŘENÍ Ad 1) Seznamte se s možnostmi vizualizačního programu SiRFDemo. Jak z názvu vyplývá, jedná se o demoverzi tohoto programu a některé funkce nelze použít nebo jsou omezené. Na Obr. 1 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 číslo identifikační družice SV podle 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 o 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 statutu, graficky.
Obr. 1. Aplikace SiRFDemo.
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 defaultní. V rámci tohoto dílčího úkolu se seznamte s ovládáním programu SiRFDemo a pomocí manuálu [1] prostudujte význam jednotlivých parametrů.
Obr. 2. Karta Setup programu WxTrack.
Obr. 3. Ovládací prvky na kartě Word Map.
Ad 2) Přesnou polohu stanovte při povolení statického měření, při kterém se využívá průměrování měření polohy (nastavení rádiového tlačítka Enable v okénku Navigation – Static Navigation). Pro statistické vyhodnocení zakažte statický režim a založte nové měření kliknutím na Current as Origin (7) v okně Map View (6). Touto operací se vymažou výsledky předchozích měření a do grafu se započnou zobrazovat nová měření. Měření provádějte tak dlouho, až jich budete mít dostatečný počet. Pomocí tlačítka Pause zastavte činnost programu a obrázek s měřením si uložte, lze přes uložení snímku celé obrazovky do clipboardu a následné uložení v grafickém editoru ve formě obrázku na paměťové médium. Na základě tohoto obrázku proveďte statistické vyhodnocení metodou četností naměřených poloh v mezikružích grafického zobrazení. Pro přesnější výpočet je vhodné sejmutý obrázek rozšířit o další oblasti radiálních chyb (vložení dalších kružnic pro jiné distance od počátku). Statisticky vyhodnoťte chybu určení polohy histogramem a stanovením rozptylu. Úlohu statistického vyhodnocení lze také řešit a zpřesnit zanesením kartézských souřadnic do získaného grafu měření poloh. Pak lze určit také střední hodnotu z měření v souřadnici x (zeměpisná délka) a y (zeměpisná šířka) a k této hodnotě vztáhnout výpočet rozptylu. Definujte také podmínky, za kterých měření proběhlo a z aktuální konstelace družic a umístění antény diskutujte rozložení naměřených poloh. Ad 3) Srovnejte predikované a skutečné polohy GPS družic v programu WxTrack a SiRFDemo. Sestavte tabulku pro družice, které jste při měření používali a ze vzdálenosti jednotlivých družic od místa pozorování stanovte dobu zpoždění GPS signálů. Ad 4) Proveďte modelový výpočet zpoždění signálu pro krajní případy poloh viditelnosti družice, přičemž uvažujte jejich standardní výšku 20200 km nad zemským povrchem. Modelový výpočet ilustrujte vhodným obrázkem.
POUŽITÉ PŘÍSTROJE 1 x osobní počítač 1 x modul GPS přijímače ORCAM 20 1 x GPS anténa
POUŽITÁ LITERATURA [1]
KASAL, M. Směrové a družicové spoje. Skriptum ÚREL FEKT VUT v Brně, 2007. ISBN 80-214-2496-6.
[2]
Orcam 20. GPS Receiver Module. Data Sheet. Orcam System, 2000.
