Спутниковая навигация и программно определяемое радио

Глобальные навигационные спутниковые системы (GNSS) относятся к системам, которые используют спутники на орбите для помощи наземным устройствам в определении навигационной информации. Приемники обычно используют алгоритмы мультилатерации для определения своего местоположения относительно орбитальных спутников. Эта информация обычно состоит из различных временных параметров и орбитальных параметров, по которым приемник может сделать вывод о своем положении относительно орбитальных спутников. Первоначально разработанная для оборонных целей, эта технология теперь используется в различных потребительских, коммерческих и промышленных продуктах.

Первоначальной и наиболее известной системой GNSS является система глобального позиционирования, которая принадлежит и управляется правительством США. Влияние, полезность и преимущества GPS охватывают все:от персональной навигации с помощью сотовых телефонов до авианавигации, строительных изысканий и логистики. Стратегическое и экономическое значение системы также побудило другие страны и альянсы к разработке собственных альтернативных систем, таких как Galileo, Глобальная навигационная спутниковая система (ГЛОНАСС) и BeiDou.

Критические критерии, используемые для оценки характеристик приемников, включают пространственную точность, чувствительность и целостность. Это важно, поскольку спутники GNSS вращаются вокруг Земли на высоте примерно 20 000 км с мощностью передачи от 20 до 240 Вт; это соответствует измеренной мощности принятого сигнала на поверхности Земли около -130 дБм (или около 0,05% от мощности сигнала сотового телефона). Более того, сигналы также передаются на той же частоте, и приемники на Земле должны не только обнаруживать сигнал, но и восстанавливать закодированную информацию для обработки данных.

Это требует, чтобы приемники GNSS одновременно уравновешивали конкурирующие требования высокой чувствительности к слабым сигналам, а также агрессивно отфильтровывали сигналы за пределами указанного диапазона. Чувствительность приемника является ключевым показателем производительности и относится к минимальной мощности сигнала, который может быть принят, при этом обеспечивая возможность захвата и декодирования закодированных данных. Хотя высокая чувствительность является ключом к высокой производительности, приемники также должны содержать метод фильтрации входящих данных. Эти фильтры необходимы, чтобы гарантировать, что приемник не будет поврежден нежелательными помехами, и могут использоваться для усиления желаемых сигналов. После того, как сигнал получен и отфильтрован, закодированные данные необходимо декодировать для конкретного приложения; для этого у получателя должны быть возможности обработки.

Каждая из вышеперечисленных функций обычно выполняется с помощью специализированных интегральных схем (ИС) для конкретных приложений. Эти ИС используются везде, где требуется GNSS; от автомобильной навигации до сотовых телефонов и приложений слежения за логистикой, требующих отслеживания местоположения. Традиционные приемники GNSS спроектированы с использованием этих ИС, но, как следствие, обычно негибкие и не могут быть обновлены, что приводит к способности удовлетворять потребности только для определенной частоты созвездия, например GPS L1. Это создает множество проблем и затрат для тех, кому требуется гибкость для нескольких созвездий и частот и которые хотели бы иметь возможность модернизировать свои приемники по мере развития технологий.

Традиционные приемники GNSS часто ограничены определенными группировками и, как следствие, диапазонами настройки. Однако существуют значительные преимущества возможностей использования нескольких GNSS при использовании нескольких частот и / или группировок. Больше спутников не только улучшает непрерывность и доступность системы, но также сокращает время до первого исправления и улучшает работу в сложных областях, таких как полярные или горные регионы, где топография вызывает проблемы с видимостью между приемником и спутником. .

Целостность систем GNSS далеко не гарантирована - эти системы не только подвержены воздействию естественных источников помех и атмосферных явлений, они также подвержены радиопомехам от искусственных источников. Эти помехи могут влиять на одну или несколько частот, а также из-за побочных или преднамеренных излучений. В случае паразитных помех резервирование приемника помогает обеспечить правильную работу.

Однако традиционные приемники сталкиваются с серьезными ограничениями при работе в преднамеренно оспариваемой среде, например, в тех, в которых определенные диапазоны могут быть заглушены или предоставлены ложной или вводящей в заблуждение информации. В этих случаях часто требуется, чтобы приемники идентифицировали и различали паразитные или ложные излучения и реальный базовый сигнал. Для критически важных приложений возможность идентификации при работе в конкурирующей среде является важным требованием.

В таких случаях важным атрибутом является получение данных от нескольких созвездий и частот, а также проверка результатов между ожидаемым и фактическим местоположением. Поскольку традиционные приемники GNSS обычно разрабатываются для работы в неоспоримых условиях, обновление этих систем для удовлетворения этой потребности сопряжено с нетривиальными затратами и временем простоя. Все чаще программно определяемые радиомодули (SDR) обеспечивают гибкость для реализации надежных алгоритмов, которые могут не только идентифицировать различные конкурирующие среды, но также успешно поддерживать информацию о блокировках и навигации.

Программно определяемые радиоприемники по своей сути гибки и позволяют теперь изменять традиционно определяемые аппаратными средствами функции с помощью программного обеспечения. Аппаратное обеспечение программно определяемого приемника состоит из двух частей, которые делают его привлекательным решением в качестве приемника GNSS. Во-первых, это гибкий интерфейс радиосвязи, который позволяет пользователям настраиваться на разные частоты и, во многих случаях, одновременно. Эти внешние радиоканалы также могут обеспечивать аналоговую фильтрацию для уменьшения помех, создаваемых близлежащими источниками. Это можно сделать одновременно на нескольких частотах и ​​совокупностях, при условии, что приемник SDR имеет достаточное количество радиоканалов. Вторая часть SDR-приемников, делающая их привлекательным решением, - это возможности встроенной цифровой обработки сигналов (DSP). Многие SDR имеют на борту ту или иную форму DSP, которая позволяет обрабатывать полученные сигналы. Этот DSP также обеспечивает дополнительную цифровую фильтрацию входящего сигнала для дальнейшего улучшения качества.

Вместе эти возможности обеспечивают платформу, способную экономично обеспечивать функциональность традиционных приемников GNSS, позволяя при этом использовать существенно большую полосу пропускания. Вместе они позволяют реализовать более сложные алгоритмы на приемниках, а также предоставляют средства для их быстрой модернизации по мере разработки новых методов и технологий обработки. Эти программно-определяемые системы создают совершенно новый набор возможностей для GNSS и должны быть рассмотрены для любого проекта GNSS.