«GPS-NOTE СПУТНИКТІ НАВИГАЦИЯ ЖҮЙЕЛЕРІ» КЕШЕНДІК ОҚЫТУ ҚҰРЫЛҒЫСЫНЫҢ ЖАЛПЫ ТЕХНИКАЛЫҚ СИПАТТАМАСЫ

3. «GPS-NOTE СПУТНИКТІ НАВИГАЦИЯ ЖҮЙЕЛЕРІ» КЕШЕНДІК ОҚЫТУ ҚҰРЫЛҒЫСЫНЫҢ ЖАЛПЫ ТЕХНИКАЛЫҚ СИПАТТАМАСЫ

Оқу қондырғының айырмашылығының өзгешелігі болып қазіргі элементтік базаны қолданылуы және сондай ақ ЕВ870 мамандандырылған микросұлбалар, GPS - NOTE, GLONAS және BDS стандартындағы спутниктік навигация сигналдарды сандық қабылдау функцияларын жүзеге асырушы болып табылады.

Оқу қондырғысы бір оқу орнын екі-үш студенттердің бірге орында жасауға мүмкіндік береді және спутникті навигация жүйесінің жұмыс ерекшелігін үйрену бойынша тәжірибе серияларының өткізілуін қамтамасыз етеді. Оқу тапсырмаларынан бөлек, орнатылым ғылыми қызығушылық туғызады. Сонымен жұмыста спутниктік навигациялық сигналдарының деңгейі тербелуінің (флуктуацияның) ұзақ уақыттық бақылауымен эксперименттер жазылған және радиотолқындардың өту жолының болжауының қабілетіменен ионосфераның байланысы (коррелируемость) сипатталған.

Қондырғы келесі блоктардан тұрады:

ЕВ870 (серия ЕВ500) мамандандырылған микросхемалар базасында орындалған GPS-NOTE/GLONAS/ BDS спутникті навигация стандарттарының қабылдау модулі.

Спутниктік навигацияны қабылдау модулінің мәліметтер кодограммасын көзбен шолу және өңделуі, басқару функциясын қамтамасыз ететін, тасымалдаушы компьютер (ноутбук).

Спутникті навигация антеналарының жинақталымы төменде көрсетілген:

• 
  қашау антенна;
  
• 
  микрожолақты антенна керамикалық жазық; - белсенді жазық антенна.
  
  4. 
     Түздік шарттарда оқу қондырғының эксплутациялау үшін аккумулятордың жинақтамаларымен батареялық бөлік.
     
  5. 
     Аккумуляторға арналған қуаттандыру құрылғысы.
     
  6. 
     220В 50Гц желісінен спутниктік навигация модульінің қоректену көзі.
     
  7. 
     Ноутбукпен спутниктік навигациясының байланыс модульінің USB- BF кабелі.
     
  8. 
     Спутниктік навигациясының мәліметтер визуализациялары және өңделуі, басқару функциясын іске асырушы EB View бағдарламалық қамсыздандыруы.
     

Қабылдау абонентіне дейін спутниктік навигациялардың әрқайсынан сигналдардың кешігу жекеше өлшенуінде спутниктік навигацияның жақындау принципі өте өрескел болып табылады. Ақпараттың алмасу хаттамасымен және қашықтықты өлшеу әдісімен тек ерекшеленуі шындығында навигация жүйелерінің әртүрлілігінде.

GPS - NAVSTAR ең көп таралған жүйе болып табылады [2].

Барлық спутниктер үшін айналу периодымен және бір биіктікпен айналу орбитасы бойынша Жер айналасында NAVSTAR спутниктік топтама жүйелері айналады. Айналма орбитасы 20 200 км биіктік шартымен бір тәуліктік ішінде 11 сағат 58 минут аралықта айналым жасайды, осылайша спутник жерді бір тәулікте екі рет айналады, яғни 23 сағат 56 минут. Орбитаның иілуі (55°) барлық жалпы спутник жүйелеріне ортақ болады. Шамамен бір-бірінен 60 градуста нүкте мәні сақталады, онда спутник орбита жазықтығы экваторды қиып өтеді, нүкте немесе көтеріліп келе жатқан түйін ұзақтылығы спутниктер орбитасының жалғыз айырмашылығы болып табылады. Осылайша, орбиталардың бірдей шамасына қарамастан, спутниктер Жерді алты әртүрлі жазықтықта, әрқайсынан 4 аппараттан айналады.

Спутниктер L1 = 1,57542 ГГц және L2 = 1,22760 ГГц (IIR-M блогымен бастап) диапазондарында сигналдарды қолдану үшін ашық түрде шағылыстырады, ал IIF моделдері L5 = 1,17645 ГГц-те тағыда шағылыстыратын болады. Навигациялық ақпарат антеннамен қабылдануы мүмкін (қалыпты жағдайда тікелей спутниктердің көріну жағдайында) және GPS-қабылдағышының көмегімен өңделген.

Қолдануда шектеусіз таратылатын, (L2C сигналы (BPSK модуляциясы) L2 диапозонында IIR-M аппаратымен басталатын) L1 диапозонымен берілетін, (C/A-код - фазалық модуляция BPSK) стандартты дәлділік кодтағы сигнал.

Принциптік жетіспеушіліктердің бірі болып GPS навигациясы толықтай американдық ведомствасымен бақыланады және кез-келген уақытта жердегі GPS қабылдағыштарын сол немесе басқа аймақтарда қолданыс кезінде тоқтатылуы мүмкін (2008 жылы оңтүстік Осетияда болған соғыста көрсетілді).

Жіңішке жолақты кедергі кезінде ол аса ұрымтал тұсы болып шықты, CDMA каналдары бөліну кодымен фазалық BPSK манипуляциясы қолдануы спутниктен сигналдар навигациясын жіберу үшін GPS жүйесінің басқа да принциптік кемшілігі болып табылады. Жұмыста [3] бөгеуілдің қойылым принципі танымал сипатталғандықтан: «идеяның түйіні мынада болып табылады, бар болған жағдайда кеңістікте жиілігі бойынша екі жақын сигналды тасмалдаушы кеңістікте дүрсіл пайда болады». Оларда осы сәулелендіру жиілігі арасындағы жиілігі бар, ал жалғанған максимум фазасы 180 градусқа жылжыған – бұл жайлы мектепте өтіледі. Егер де тасмалдаушылардың бірі фазоманипуляцияланған болса, одан жұмыстың мәні өзгермейді. Оның көшірмесімен қабылдағышта бар фазоманипулирлік модуляциялық сигналын бұратын GPS қабылдағышы коррелятордан тұрады.

Коррелятордың дыбыс беруі максимумге жеткенде, онда синалдың келу уақыты болып саналады. Коррелятор жолақ шегінде (азаматтық каналда ол шамамен 2МГц) тағыда бір тасымалдаушы болады егерде эквивалентті фазоманипулирленген бөгеуілге импульс арқылы фазаны айналдыратын болса. Нәтижесінде сигнал мүлдем болмайды. «GPS спутниктік сигнал дүрсілін басу үшін, жерден модулденбеген 1577 МГц (азаматтық канал) және 1230 МГц (әскери канал) жиіліктері сәулелендірсе болғаны. Және де, таратқыш қуаты қалта фонаригіндей бір ватт ретімен болуы мүмкін. Тура көру ұзақтылығын 500 км дейін сөндіру үшін бір ватт жеткілікті. Ресейлік ГЛОНАСС жүйесі FDMA манипуляциялық-жиілік сигнал базасында құрастырылған және айтарлықтай үлкен бөгет тұрақтылығына [4] ие. ГЛОНАСС спутниктері орбитада орташа 19100 км биіктікте 64,8° иілумен 11 сағат 15 минут периодымен орналасқан. Бұндай орбита биік еңдікте (солтүстік және оңтүстік полярлық аймақтарда), GPS сигналы нашар ұстайтын аймақта қолданғанда тиімді. Спутниктік топтасуы үш орбита жолағында жазылған, 8 бірдей бөлінген спутниктерің әрқайсына. Бүкіл ғаламдық жабынуды қамтамасыз ету үшін 24 спутниктер қажет. Сигналдар 38° бағытымен оң айналмалы поляризацияны пайдаланумен 316—500 Вт (EIRP 25-27 dBW) қуаттылығымен жіберіледі. Авиациялық хабарламалар ашық сигналды 50 бит/c жылдамдығымен үздіксіз трансляциялайды. 1500 бит (30 с) 5 кадрлардан тұратын және толық хабарламаны жіберу үшін (2.5 минут) суперкадр 150 секунд 7500 бит ұзақтылығын қажет етеді. Әрбір кадр 15 жолдан 100 биттен тұрады (жолдың әрқайсысына жіберілуге 2 секунд). Спутниктің жағдайы және де, жиіліктің тактілі генераторларының жылжуы, мәліметтер эфемеридтарды қосады, әрбір кадрда қайтадан жіберіледі және сол спутник жайлы тікелей ақпарат 1-4 жолдарда болады. 5-15 жолдары альманахтан тұрады, I—IV кадрларында мәліметтер 5 спутниктердің әрқайсына, ал V кадрда – қалған төрт спутникке жіберіледі. FDMA және CDMA сигналдарын қолданады.

Қытайлық орбиталық топтамасы спутниктік BDS навигацияның жүйесі [5] (Бэйдо́ у – аударғанда «Жеті қарақшы» мағынасын білдіреді, ол дегеніміз

Үлкен Аю) 2010 жылы қалыптаса бастады және 2012 жылдың желтоқсаныңда геостационарлық спутниктерді (GEO) құрап, бес спутниктер иілген геосинхронды орбитада (IGSO), және төрт орташа орбитальды спутникті (MEO), және де олар жұмыстық топты құрды. Толық жүктелумен жүйе 2020 жылы шығады деп жоспарланып отыр және орбитада 30 спутниктер мен геостационарлық орбитада 5 спутниктен тұратын болады, геостационарға қарағанда жақсы болып табылады.

Жүйе Тынық мұхитты-Азиаттық өңірінде позицияланған аймақтық жүйе ретінде 2012 жылы 27 желтоқсанда коммерциялық эксплуатацияға іске қосылды. Сигналдың форматы мен құрылымы жайлы қандай да бір сенімді мағлұматтарды осы жұмыстың авторы таба алмады. Белгілісі тек, келесі диапазондарды қолдану тұспалдануда: B1 1559,052-1591,788 МГц, B2 1166,22 — 1217,37 МГц, B3 1250,618 — 1286,423 МГц.

Келесі артықшылықтарды атап өткен жөн: навигатор қытай жүйесінде тек қабылдағыш қана емес, сигнал таратқышы да болып табылады. Мониторинг станциясы екі спутник арқылы қолданушыға сигнал жібереді. Қолданушының құрылғысы сигналды қабылдағаннан кейін жауап сигналын екі спутник арқылы жібереді. Жердегі станция сигналдың кешігуіне байланысты қолданушының географиялық координаттарын есептейді, бар база мәліметтері бойынша биіктігін анықтап және қолданушы құрылғысының сегментіне сигналдарды жібереді. «GPS-NOTE спутникті навигация жүйелері» оқу жабдық жиынтығының жалпы түрі сурет

3көрсетілген.

Сурет 3. «GPS-NOTE спутникті навигация жүйелері» оқу жабдық жиынтығының жалпы түрі

Мұнда қызыл түсті санмен белгіленгендер:

1. 
   Спутникті қабылдағыш модулінің платасы;
   
2. 
   Компьютердің ішкі қосылуна USB біріктіріп-ажыратқышы;
   
3. 
   Қоректену блогының ішкі қосылуна біріктіріп-ажыратқышы;
   

5. 
   Керамикалық микрожолақтық антенна;
   
6. 
   Қашау антенна;
   
7. 
   Белсенді антенна;
   
8. 
   Белсенді антенна кабелімен катушка-ұзартқышы; 9. EB View бағдарламмасы белсенді терезедегі компьютер.
   

Сурет 3.1. Спутниктік навигация модулі платасының түрі. Мұнда қызыл түсті санмен белгіленгендер:

1. 
   Спутниктік навигация модулінің жұмыс істеуіне байланысты ауыстырып-қосқыш. Ауыстырып-қосқыштың жоғарғы жағдайында модуль жұмыс жасайды, төменгі жағдайда модуль өшірулі болады;
   
2. 
   ЕВ870 (серия ЕВ500) спутниктік навигацияның мамандандырылған микросхемасы.
   
3. 
   Индикатор күйі. Қызыл түс қорек барын көрсетеді. Жасыл – жағдайды тіркелудің кезектегі режимі: сигналдардың өңделуі және іздеу кезінде ол үзіліссіз жаңады, ал координаталарды алғаннан соң 1Гц жиілігімен жыпылықтай бастайды.
   
4. 
   «RESET» тастау батырмасы. «Суық старт» режимінде координата есебін және сигналдарды іздеу процедурасын қайта қосады, бұл кезде спутниктерден орбиталды топтасқан параметрлері жайында («альмандар») толық ақпарат алынады.
   

Жұмысты орындау реті

Жұмыс циклын бастар алдында, орындауға келесі әрекеттерді жүзеге асыру қажет:

Компьютерді қосып және Windows операциялық жүйесінің толық жүктелуін күтіңіз.

Модулдің штатты жұмысына сәйкес келетін, жоғарғы жағдайда (сурет 3.1) GPS модуль жұмыс режимін ажыратып-қосқышты орнатыңыз.

USB кабелін қолдана отырып GPS модулін компьютермен қосыңыз, алайда модуль қорегі компьютер арқылы жүзеге асырылатын болады. Операционды жүйе өздігімен қашықтағы құрылғының типін анықтауы және жүзеге асырылатын СОМ портын сәйкесінше таңдауы қажет.

Windows операциялық жүйесі «Басқару панелі» бағдарламалық мәзірді қолдана отырып, GPS модулі үшін таңдалынған СОМ порт номерін анықтау.

GPS модулінің коаксиальді біріктіріп-ажыратқышқа қажетті антеннаны қосыңыз. Назар аударыңыз! Миниатюрлы коаксиальді біріктіріп-ажыратқыш өте әлсіз жоғары жиілікті құрылғысы болып табылады және қосылу кезінде айтарлықтай артық күш жұмсаудың қажеті жоқ.

EB View бағдарламасын қосыңыз, басқа микросхемалар схемасы EB500 және GPS модулінің EB-870A мамандандырылған микросхемасымен жұмыс істеуге арналған.

EB View бағдарламасының негізгі терезесі суретте көрсетілгендей түрде болады.

Сурет 3.2 EB View бағдарламасының Statys бағдарламалық мәзір түрі

Мұнда қызыл түспен сандар белгіленген:

1. 
   Спутниктік навигация модулімен компьютер ақпарат алмасу жылдамдығын орнату жолы. 115200 бит/с ұсынылады.
   
2. 
   Спутниктік навигация модулімен компьютер ақпарат алмасу портын таңдау жолы. Әдетте ноутбук үшін модуль СОМ3 ретінде анықталады.
   
3. 
   Спутниктік навигация модулімен компьютер ақпарат алмасуда «OFF» өшіру және «ON» орнату бағдарламалық батырмасы.
   
4. 
   «National Marine Electronics Association» NMEA хаттамасына ақпарат алмасу кодограмма индикациясымен бағдарламалық терезе. Хаттаманың тұпнұсқалық сипаттамасы бар.
   
5. 
   ГГГГ/ММ/ДД форматындағы (спутниктен жіберіледі) кезектегі мезгіл индикация жолы.
   
6. 
   ЧЧ:ММ:СС форматындағы (спутниктен жіберіледі) кезектегі уақыт индикация жолы.
   
7. 
   Параметрлер бейнеленген таңдау мәзірі:
   

GSA – Спутниктер туралы жалпы ақпарат;

GSV – Спутниктер туралы толық ақпарат;

RMC – GPS мәліметтерін ұсынылған минимальды терімі;

GLL – Еңдік пен ұзақтылық мәліметтері;

VTG – Жылдамдық пен қозғалыс векторы;

ZDA – Мезгіл және уақыт;

8. 
   Орналасқан жердің еңдік бұрыш координата терезесі.
   
9. 
   Орналасқан жердің ұзақтылық бұрыш координата терезесі.
   
10. 
    Орбиталды топталған спутниктердің бақылау шартың DOP бағалау терезесі. Аспанда спутниктер жақсы «үлестіру» болған сайын, DOP кемдеу және позиция дәлдігі жақсырақ болады. PDOP (=1) минимальды мәні ең жақсы жағдайға сәйкес келеді, бір спутник қатаң тұтынушы үстінде орналасқан болса, ал көкжиек деңгей айналасына басқа 3 бірдей үлестірілген болғанда.
    
11. 
    Орналасқан жерінің нүктесін есептеу режимін орнату терезесі. 2D режимінде есептеулер екі координаттарда (еңдік және ұзақтылық), ал 3D режимінде үш координатта (еңдік, ұзақтылық және теңіз деңгей биіктігі) жүргізіледі.
    
12. 
    Спутниктік навигация модулінің ауысу жылдамдығының есептеу мәні. Нашар қабылдау шарттары барысында 1 км/сағ қателік болуы мүмкін.
    
13. 
    Орналасқан жерінің координатының теңіз деңгейінен биіктік индикация терезесі.
    
14. 
    Бақыланатын спутниктер ағымдағы координатаны бейнелеумен аспан картасының мнемограммасы. Сандармен спутниктердің жеке номерлері көрсетілген.
    
15. 
    Қосылу режимін орнатудың бағдарламалық терезесі: «hot» - «ыстық» координаталарды өлшеуде алдыңғы сеанстардағы мәліметтерін қолдану базасында жылдам жіберілуі; «warm» - «жылы», спутниктер мәліметтерінің альманах жартылай жаңартылуымен; «cold» - «суық» мәліметтердің толық жаңартылуымен ең баяу жіберілуі (Мысал. ред. EB View бағдарламасының жаңа версияларында GPS, GLONASS және BDS– спутникті навигация жүйесін таңдау үшін қосымша терезелер енгізілген. Қандай да бір анықталған жүйені таңдауда спутник сигналын жеке бақылау негізінде анықталады).
    
16. 
    Бақыланған спутниктерден әрқайсысы үшін сигналдар сигнал/шуыл (% ) қатынасы деңгейінің визуализация терезесі. EB View бағдарламасының Setup мәзірінің бағдарламалық түрі сурет 3.3 көрсетілген.
    

Сурет 3.3. EB View бағдарламасының Setup мәзірінің бағдарламалық түрі. Мұнда қызыл түспен сандар белгіленген:

1. 
   Мәліметтер алмасудың NMEA кодограмма түрін таңдау.
   
2. 
   Компьютер мен спутниктік навигация модулі арасындағы ақпарат алмасу трафик ағымының индикация терезесі.
   
3. 
   Кодограмма ағымдар санын орналастыру терезесі.
   
4. 
   Кодограмма алмасу жылдамдығын орналастыру терезесі (ұсынылатын жылдамдық 115 кБт/с).
   
5. 
   Бағдарламалық ажыратып-қосқыш DGPS (ағыл. Differential Global Positioning System – дифференциялық жүйе GPS) - GPS нақтылығын жоғарлату режимін активациясы. DGPS қабылдағыштарда сигналдың атмосфералық бұрмалануы ерекшелігі үшін қолданылады. «Disable» (қосулы) ажыратып-қосқыш ұсынылған жағдайы.
   
6. 
   Координатаның анықталу дәлділігін орнату бағдарламалық ажыратып-қосқыш.
   
7. 
   A-GPS бағдарламалық ажыратып-қосқыш (ағыл. Assisted GPS) - GPS-қабылдағышының «суық старт» жылдамдататын, процедурасы. Жылдамдату балама каналдар байланысы арқылы қажетті ақпараттардың ұсыну есебінен жүзеге асырылады. GPS қабылдағышы бар, ұялы телефондарында жиі қолданылады.
   
8. 
   Мәліметтер хаттамасының алмасуын бастамалау кодограммасын іске қосу терезесі. EB View бағдарламасындағы Command бағдарламалық мәзір түрі сурет 3.4 көрсетілген.
   

Сурет 3.4. EB View бағдарламасындағы Command бағдарламалық мәзір түрі Мұндағы қызыл түсті сандар білдіреді:

Координата жүйесін таңдау бағдарламалық терезесі жайғастырылған. Жерде орналастыру үшін координат жүйесі үшөлшемді болатын «WGS 1984 International» орнату ұсынылады. Локальды жүйелерге қарағанда, барлық планеталар үшін жалғыз жүйе болып табылады.

Координатаны анықтау жоғарғы дәлдікте DGPS режимін таңдау құрылғысының бағдарламалық ажыратып-қосқышы.

Спутниктік навигация модулінің атауын бағдарламалық анықтау терезесі.

NMEA кодын командасын енгізу терезесі.

Навигациялық спутниктері бақыланатын индикация терезесі. Мұндағы Channel- спутниктің бақылау каналының кезекті логикалық номері, Svid – бақылаудағы спутниктің жеке сәйкес нөмері, SNR – спутниктің қабылдауындағы сигнал қуатына шу қуатының қатынасы.