Чувствительность навигационных модулей (лабораторная работа)

Цели работы

• Ознакомиться с современными образцами навигационной аппаратуры потребителей, их интерфейсными программами;
• Развить представления об основных характеристиках навигационной аппаратуры в общем, отечественного и зарубежного производства в частности;
• Освоить методику оценивания чувствительности навигационной аппаратуры потребителей спутниковых радионавигационных систем;
• Развить навыки использования радиотехнических измерительных приборов.

Общая информация

Основные понятия

Рисунок 1 - Структурный состав НАП

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 чувствительностью модуля НП понимается его способность работать в условиях приема слабых сигналов. В качестве характеристики чувствительности принимается граничное наименьшее значение мощности $P_{s,min}$ полезного сигнала (одного типа и одного спутника) на выходе пассивной антенны, при котором модуль НП еще может решать целевую задачу с заданными характеристиками.

Под заданными характеристиками решения целевой задачи понимается выдача навигационного 3D-решения без перерывов, превышающих 10-секундный интервал.

Чувствительность навигационного модуля - одна из его важнейших характеристик. Обеспечение номинальной мощности сигнала гарантируется навигационной системой в случае прямой видимости спутника на открытой местности. В городских условиях, под листвой деревьев, внутри транспортных средств и помещений сигнал может быть значительно ослаблен. В таких условиях от приемника требуется максимальная чувствительность.

Размерность количественной характеристики чувствительности, как следует из определения, совпадает с размерностью мощности. На практике применяют логарифмическую шкалу, выражая чувствительность в [дБВт] или [дБм] с помощью нелинейного преобразования (логарифма по основанию 10) отношения описываемой мощности к 1Вт или 1мВт соответственно:

$P_{[dBm]} = 10log_{10}\left( \frac{P_{[W]}}{0.001_{[W]}}\right)$.

Различают чувствительность слежения и чувствительность поиска. Отличие заключается в состоянии приемника на момент ослабления сигнала с номинального уровня.

Если к моменту ослабления сигнала навигационный модуль успел произвести поиск и захват сигналов всех видимых спутников, выделил навигационную информацию и производит выдачу навигационного решения - приемник находится в режиме слежения. В таких условиях его чувствительность максимальна. Уровень чувствительности современных навигационных модулей в режиме слежения - около -160 дБм (или -190 дБВт).

Если к моменту включения приемника сигнал уже был ослаблен, говорят о чувствительности поиска.

Задача поиска слабого сигнала требует значительных вычислительных ресурсов, время поиска существенно возрастает и может превысить требуемое. В методике в качестве максимального времени до выдачи навигационного 3D-решения выбрано значение в 300 секунд. Превышение ожидания неприемлемо для большинства потребителей.

Помимо поиска сигналов, в режиме "холодного" старта приемнику необходимо выделить навигационную информацию. Низкая мощность входного сигнала приводит к низкому отношению сигнал/шум и возрастанию ошибок выделения передаваемых бит сообщения. Не выделив эфемеридную информацию, приемник не может решить навигационную задачу - она требует сведения о положении спутников. В современных навигационных модулях развитие блоков быстрого поиска привело к ситуации, в которой невозможность выделения навигационной информации стала главным ограничением чувствительности поиска. Чувствительность поиска современных навигационных модулей около -145 дБм.

Помимо режимов "холодного" старта, при котором приемник не содержит информации о состоянии спутникового созвездия, производители выделяют режим "теплого" и "горячего" старта. Отличаются они наличием той или иной вспомогательной информации, накопленной приемником - времени, эфемерид, альманахов и т.д.

Основными путями повышения чувствительности НАП являются:

• оптимизация алгоритмов обработки сигналов в НАП;
• прием и обработка перспективных двухкомпонентных (пилот и данных) сигналов ГНСС;
• использование высококачественных комплектующих и элементной базы;
• получение дополнительной информации извне навигационной системы, например, по каналам сотовой связи (A-GPS).

Схемы экспериментальных установок

На рис. 2 представлена схема экспериментальной установки, предназначенной для измерения коэффициента затухания сборного аттенюатора. На рис. 3 - основная схема проведения экспериментов по измерению чувствительности навигационных модулей.

Рисунок 2 - Схема экспериментальной установки для измерения характеристик аттенюатора

Рисунок 3 - Схема экспериментальной установки для измерения чувствительности навигационных модулей

Таблица 1. Используемое в работе оборудование

На схемах	Прибор	Пример	Функция	Кол-во
1	Генератор навигационного сигнала	R&S SMBV, R&S SMU	Имитация навигационных сигналов	1
4	Аттенюаторы 30 дБ L-диапазона	MiniCircuits VAT-30+	Ослабление сигнала до уровня, соответствующему выходной мощности приемной антенны навигационной аппаратуры потребителей	3
3	ВЧ-разветвитель L-диапазона	MiniCircuits ZAPD-2DC-S+	Разветвление суммарного сигнала к анализатору спектра и навигационному модулю	1
4	Малошумящий усилитель (МШУ)	MiniCircuits ZRL-2400LN+	Имитация МШУ навигационной аппаратуры потребителей	1
5	Анализатор спектра	R&S FSV, R&S FSU	Измерение мощности навигационного и калибровочного сигналов	1
6	DC-Block (отсечка постоянного тока)	MiniCircuits BLK-89-S+	Предотвращение подачи постоянного напряжения от навигационного модуля к аттенюаторам	1
7	Модуль навигационного приемника		Объект исследования	1
8	Персональный компьютер с интерфейсными кабелями		Выполнение интерфейсной программы, обмен данными с навигационными модулями, питание навигационных модулей.	1
-	Соединительные кабели L-диапазона		Соединение генератора и разветвителя, соединение аттенюатора и МШУ, соединение МШУ и навигационного модуля, соединение разветвителя и спектроанализатора.	4
-	Источник питания	GW Instek GPS-4303	Питание МШУ, навигационных модулей	1

Лабораторное задание

Для проведения экспериментального исследования чувствительности модуля НП выполните подготовительный этапы 1, а затем выполните пункты методики, соответствующие плану экспериментальных исследований. Результаты фиксируйте в протоколе.

1 Определение коэффициента передачи сборного аттенюатора

Коэффициент ослабления сборного аттенюатора может отличаться от суммы номиналов. На первом этапе проведем измерение этого коэффициента, заодно освоив управление генератором сигнала и анализатором спектра.

1.1 Собрать экспериментальную установку для измерения характеристик аттенюатора согласно рис. 2, включив в схему аттенюатор как показано на рисунке. В качестве аттенюатора использовать сборный с номинальным коэффициентом ослабления 85-95 дБ.

1.2 Включить генератор сигнала (далее ГС). Выключить модуляцию (Mod off). Установить выходную мощность, по шкале генератора, на значение 0 дБм. Установить частоту, равную центральной частоте рабочего диапазона (для GPS L1 1575,42 МГц).

1.3 Включить 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 сигнала.

Несущая частота сигналов GPS частотного диапазона L1 составляет 1575.42 МГц, полоса гражданских сигналов с C/A кодом по первым нулям - 2.046 МГц. Для настройки АС необходимо указать центральную частоту анализа (Central frequancy), полосу анализа (Span), шаг анализа (RBW) и полосу сглаживающего фильтра (VBW).

1.4 С помощью ГС и АС определить коэффициент ослабления аттенюатора $K_{att}$, дБ:

1.4.1 Включить радиочастотный выход генератора (RF on), подав тем самым гармоническое колебание с выбранной частотой и амплитудой на его выход.

1.4.2 С помощью АС измерить мощность гармонического колебания после прохождения аттенюатора. Записать измеренное значение $P_{with}$ в отчет.

1.4.3 Исключить из схемы аттенюатор - соединить разветвитель и АС. И

1.4.4 Измерить мощность $P_{without}$ гармонического сигнала с помощью АС.

1.4.5 Найти $K_{att} = P_{without}-P_{with}$. Занести значение $K_{att}$ (положительное число) в протокол.

Помимо погрешности коэффициента затухания в аттенюаторе, на точность проводимых измерений влияет асимметрия разветвителя (~0.05 дБ) и разность потерь в кабелях от разветвителя до АС и аттенюаторов (до 2 дБ). Для упрощения методики измерение этих параметров пропустим.

2 Определение чувствительности навигационного модуля в условии холодного старта

2.1 При необходимости выполнить пункт подготовки 1, занести полученное значения $K_{att}$ в протокол.

2.2 Собрать экспериментальную установку согласно рис. 3.

2.3 Включить ПК и запустить программное обеспечение (ПО) для отображения, сохранения и установки параметров модуля НП.

2.4 На ГС запустить требуемый сценарий имитации. Убедиться, что мощности всех имитируемых сигналов равны, а их число равно 4. Записать количество и тип имитируемых сигналов в протокол.

2.5 Включить радиочастотный выход ГС (RF on). Установить уровень сигнала ГС для каждого спутника равным $P_S$ = -125 + $K_{att}$ ± 2 дБм по измерениям АС. Учесть при этом, что при использовании сигналов с кодовым разделением АС производит измерение сразу 4 имитируемых сигналов. Соответственно, чтобы получить измеренное значение мощности одного сигнала, необходимо из измеренной мощности 4 сигналов отнять 6 дБ (что примерно соответствует умножению на 1/4 в линейной шкале).

2.6 Включить модуль НП.

2.7 Установить связь интерфейсного ПО с модулем НП. Задать параметры работы в соответствии с планом проведения экспериментальных исследований:

• система (GPS);
• частотный диапазон (L1);
• тип сигналов (C/A).

2.8 Через 2 минуты убедиться, что модуль НП функционирует нормально: в течение 2 минут выдает навигационное 3D-решение без перерывов, превышающих 10 сек. Если условие не выполняется, проверить правильность выполнения пунктов 1, 2.2-2.7. Если проверка не выявила нарушений пунктов методики, сообщить преподавателю.

2.9 Выключить модуль НП.

2.10 На ГС перезапустить требуемый сценарий имитации. Установить уровень сигнала ГС для каждого спутника равным $P_S$ = $P_{search, start}$ + $K_{att}$ ± 1 дБм по измерениям АС (не забыть о вычитании 6 дБ при имитации 4 сигналов). В качестве значения $P_{search, start}$ для современных модулей (u-blox NEO-6Q, NAVIS NV08C) взять -144 дБм, для приемников предыдущих поколений (СН-4706) выбрать -133 дБм.

2.11 Включить модуль НП. Установить связь ЭВМ с модулем НП и задать параметры работы как в п. 2.7. При необходимости дать команду перезапуска в режиме холодного старта. При выбранной мощности навигационных сигналов навигационный модуль не должен осуществлять их захват.

2.12 Увеличить мощность навигационного сигнала на 1 дБ, выждать 300 секунд, проконтролировать наличие/отсутствие навигационного 3D-решения на выходе НП.

2.13 Если за 300 секунд навигационный модуль не начал выдавать навигационное 3D-решение, повторить пп. 2.12-2.13.

2.14 Если за 300 секунд модуль начал выдавать навигационное 3D-решение, зафиксировать граничное значение мощности одного навигационного сигнала $P_{Search, min ,i} = P_{S}$ дБм в протокол. Измерение мощности сигнала проводить с помощью АС, не забывая учитывать количество спутников.

5.19 Рассчитать среднеарифметическое значение $P_{S}$ по полученным значениям $P_{S,i}$, $i = 1,..,5$. Зафиксировать рассчитанное значение $P_{S}$ в протоколе.

6 Определение чувствительности навигационного модуля в условии слежения

6.1 При необходимости выполнить пункты подготовки 1, 2, занести полученные значения $K_{att}$, $\Delta{K}$ 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 $P_S$ = -125 + $\Delta{K}$ + $K_{att}$ ± 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 $P_{S,0}$.

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 $P_{S}$ = $P_{S,0}$ + 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 $P_{S,i}$ = $P_{S}$ навигационного сигнала по измерениям АС.

6.16 Набрать статистику значений $P_{S,i}$ из 5 экспериментов повторяя выполнение пп. 6.9-6.15. Выполнение п. 6.13 допускается начинать с установки $P_{S} = P_{S,i-1}$ + 3 дБм, где $P_{S,i-1}$ - граничное значение мощности навигационного сигнала, полученное в предыдущем эксперименте по набору статистики.

6.17 Рассчитать среднеарифметическое значение $P_{S}$ по полученным значениям $P_{S,i}$, $i = 1,..,5$. Зафиксировать рассчитанное значение $P_{S}$ в протоколе.

5.18 Набрать статистику значений $P_{S,i}$ из 5 экспериментов повторяя выполнение пп. 5.13-5.17. Выполнение п. 5.13 допускается начинать с установки $P_{S} = P_{S,i-1}$ - 2 дБм, где $P_{S,i-1}$ - граничное значение мощности навигационного сигнала, полученное в предыдущем эксперименте по набору статистики.

Контрольные вопросы

1. 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

К_att = +          дБ

Разность коэффициентов передачи разветвителя (2 - 1)

$\Delta{K}$ =          дБ

3. Мощность сигнала одного спутника по измерениям АС (второй выход разветвителя)

$P_S$ = -          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:

$P_{J,0}$ = -          дБм.

5. Результаты косвенных измерений $J/S$

№ эксперимента, i	$P_{J,i}$, дБм	$J/S_{i}$, дБ
1
2
3
4
5

Параметр	Значение
Среднеарифметическое значение $J/S$, 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

К_att = +          дБ

Разность коэффициентов передачи разветвителя (2 - 1)

$\Delta{K}$ =          дБ

3. Мощность сигнала одного спутника по измерениям АС (второй выход разветвителя)

$P_S$ = -          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):

$P_{J,0}$ = -          дБм,

5. Результаты косвенных измерений $J/S$

№ эксперимента, i	$P_{J,i}$, дБм	$J/S_{i}$, дБ
1
2
3
4
5

Параметр	Значение
Среднеарифметическое значение $J/S$, 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

К_att = +          дБ

Разность коэффициентов передачи разветвителя (2 - 1)

$\Delta{K}$ =          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:

$P_{S,0}$ = -          дБм,

4. Результаты косвенных измерений граничной мощности сигнала

№ эксперимента, i	$P_{S,i}$, дБм
1
2
3
4
5

Параметр	Значение
Среднеарифметическое значение $P_S$, 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

К_att = +          дБ

Разность коэффициентов передачи разветвителя (2 - 1)

$\Delta{K}$ =          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):

$P_{S,0}$ = -          дБм,

4. Результаты косвенных измерений граничной мощности сигнала

№ эксперимента, i	$P_{S,i}$, дБм
1
2
3
4
5

Параметр	Значение
Среднеарифметическое значение $P_S$, дБм

Приложение C. Описание навигационных модулей

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.

Рисунок C.1 - Фотография модуля СН-4706

Таблица C.1. Основные характеристики модуля СН-4706

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

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.

Рисунок E.1 - Основное окно программы u-center 6.10

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)

Рисунок E.2 - Выбор порта в программе u-center 6.10

Отображение флага выдачи 3D решения в программе u-center производится в окне Data View (см. рис. E.3).

Рисунок E.3 - Окно Data View программы u-center 6.10

Программа позволяет осуществить перезапуск приемника с помощью команды Coldstart через соответствующий пункт меню Receiver (см. рис. E.4)

Рисунок E.4 - Передача команды на холодный старт