Receptoare GPS

ClasificareI. Funcţie de utilizare:1. Receptoare comerciale: sunt portabile (handheld), uşor de utilizat, precizie scăzută, construcţie robustă, baterii sau acumulatoare ce asigură durată mare de funcţionare, preţuri accesibile;2. Comerciale pentru navigaţie (PND): în general nu sunt proiectate să fie portabile, sunt instalate la bordul diferitelor vehicule, precizie mai bună, baterii sau acumulatoare ce nu asigură durată mare de funcţionare, prevăzute cu hărţi de navigaţie ce includ POI (Points of Inerest), pot fi incluse într-un sistem de supraveghere şi urmărire a vehiculului;3. Pentru colectarea datelor: precizie mare - cm, hartă incorporată, memorie mare, preţuri mari, colectează informaţii ce pot fi utilizate ca date de intrare pentru GIS (Geographic Information System)4. Geodezice: precizie foarte mare, memorie mare, preţuri foarte mari;5. Militare: recepţionează codul P şi codul Y, sunt portabile, construcţie robustă, precizie mare, hartă incorporată. Nu sunt accesibile utilizatorilor civili.

II. Din punct de vedere constructiv:1. Receptoare handheld conectate la PDA printr-un cablu serial sau USB;2. Receptoare mouse, conectate printr-un cablu serial sau USB;3. Receptoare incorporate în carduri PCMCIA;4. Receptoare sleeve (mânecă) pentru anumite modele de PDA;5. Receptoare wireless, ce transmit date prin Bluetooth;6. Receptoare integrate în PDA;7. Receptoare integrate în telefoane mobile.

III. Funcţie de mărimile cu care pot opera:1. Receptoare care lucrează cu codul C/A: determinarea se face pe baza codului; 4 12 canale; pot urmări simultan 4 12 sateliţi; determinarea coordonatelor se face bidimensional (latitudine, longitudine) sau 3D (latitudine, longitudine, altitudine); acestea pot înregistra punctele de drum (way point) şi traseele parcurse sau POI (point of interest);2. Receptoare care lucrează cu codul C/A şi măsurători de fază pe ;

3. Receptoare care lucrează cu codul C/A şi măsurători de fază pe şi ;

4. Receptoare care lucrează cu C/A, codul P şi măsurători de fază pe purtătoarea şi ;

IV. Funcţie de precizie:1. Echipamente de navigaţie: handheld; PND, pentru ambarcaţiuni, aeronave, vehicule terestre; precizie 15 - 3m (dacă au posibilitatea corectării prin DGPS sau WAAS);2. Receptoare OEM, GPS engine care se folosesc pentru sisteme complexe pentru navigaţie sau urmărire ; precizie 10 – 2m;3. Receptoare topografice; lucrează pe , cod şi fază, ajung la precizii de m sau chiar cm;Acestea primesc semnale de la sisteme de îmbunătăţire a performanţelor;4. Receptoare geodezice; lucrează pe , cod şi fază, ajung la precizii de cm sau chiar mm; primesc semnale de la sisteme de îmbunătăţire a performanţelor.

1

Structura unui receptor GPSUn receptor GPS este format din componentele necesare pentru recepţia şi prelucrarea semnalului.

AntenaAntena este unidirecţională, de tip microstrip sau patch. Punctul de referinţă îl reprezintă centrul de fază, cel mai important criteriu de proiectare fiind sensibilitatea centrului de fază.Parametri tehnici constructivi: frecvenţele recepţionate; poziţia centrului de fază faţă de centrul geometric/mecanic; corecţiile de elevaţie şi azimut ale centrului de fază; temperaturile de lucru.Lărgimea de bandă a semnalului este de aproximativ 2MHz (a codului C/A).Puterea semnalului recepţionat este sub nivelul zgomotului de agitaţie termică:

,unde:k - constanta lui Boltzman ;T – temperatura absolută în grade Kelvin;B – lărgimea de bandă în Hz a zgomotului.Polarizarea semnalului recepţionat este dextrogiră (în sensul acelor de ceasornic). Motivul utilizării acestui tip de polarizare este existenţa erorii de multiparcurs (multipath). La reflexia semnalului ca urmare a parcurgerii traseului multiplu, apar semnale polarizate levogir (în sens invers acelor de ceasornic) şi acestea trebuie eliminate şi eroarea minimizată.

Se calculează coeficientul de zgomot al sistemului:

unde Fi reprezintă coeficientul de zgomot pentru elementul "i" iar Gi câştigul.

AmplificatorulParametri: câştig cca. 50dB; domeniul de frecvenţă; coeficient de zgomot;

2

Mixer/ oscilator local Are rolul de a transforma frecvenţa L1 într-o frecvenţă intermediară, păstrând structura semnalului modulat:

Dacă se consideră şi frecvenţa intermediară dorită este 47,74 Mhz atunci se obţine:

Deoarece trebuie eliminată suma, s-ar justifica folosirea unui filtru trece jos FTJ , însă ţinând cont de faptul că în realitate modelul este simplificat, se iau în considerare şi alţi parametri ai mixerului şi de aceea se preferă filtrul trece bandă FTB.Factorul de calitate al filtrului:

Pentru o lărgime de bandă de 3dB şi o frecvenţă de 2,046 MHz, factorul Q ar fi 770 (foarte mult). Se impune banda de frecvenţă 2% din frecvenţa medie, atunci rezultă factorul de calitate Q este 50 (acceptabil).

Convertorul D/AParametri: număr de biţi; frecvenţă de eşantionare maximă; lărgime de bandă a semnalului analogic de intrare; domeniul semnalului analogic de intrare.Frecvenţa de eşantionare la un eşantion de 4 biţi ar fi 38,192Mhz, iar frecvenţa intermediară 9,548Mhz.

Prezentarea pe scurt a etapelor prelucrării semnalelorStructura unui canal pentru prelucrarea semnalelor

Prelucrarea semnalelor se bazează pe o structură formată din mai multe canale, fiecare alocat unui satelit. Înainte de alocare, trebuie ştiut ce sateliţi se pot recepţiona. Sunt două posibilităţi pentru a găsi sateliţii "vizibili":Pornirea la cald: receptorul utilizează informaţiile memorate în almanah şi ultima poziţie determinată de receptor. Datele din almanah ajută la calcularea grosieră a poziţiei sateliţilor în momentul respectiv, aceste poziţii fiind apoi corelate cu ultima poziţie determinată pentru a se stabili ce sateliţi ar trebui să fie vizibili. Dacă receptorul a fost mutat departe de ultima poziţie calculată sau almanahul nu este actualizat, informaţiile vor fi eronate.Pornirea la rece: receptorul nu se bazează pe informaţiile memorate şi începe să caute semnale de la sateliţi, începe procesul de achiziţie.

3

1. Etapa de achiziţie a semnaluluiSe ţine cont de efectul Doppler (datorat mişcării relative):5 KHz pentru receptorul staţionar (aplicaţii: cadastru, geodezie, cartografie, monitorizarea mişcării scoarţei terestre – receptor instalat pe clădiri, poduri etc.);10 KHz pentru utilizatori cu viteze mari de deplasare (navigaţie aeriană) ;Semnalul recepţionat de la sateliţi este o combinaţie a semnalelor de la sateliţii vizibili:

Se multiplică semnalul s(t) cu un cod C/A corespunzător satelitului k. Funcţia de intercorelaţie dintre codurile C/A pentru sateliţi diferiţi duce la eliminarea în întregime a semnalelor de la ceilalţi sateliţi. Pentru a nu se elimina semnalul de la satelitul dorit, codul C/A generat de receptor trebuie să aibă faza corectă. După multiplicarea cu codul generat în receptor, semnalul trebuie mixat cu o purtătoare generată de receptor (pentru a elimina purtătoarea semnalului recepţionat).Semnalul generat trebuie sa aibă o frecvenţă cât mai apropriată de semnalul recepţionat (trebuie sa ţinem cont de variaţia 5÷10KHz faţă de frecvenţa nominală). Pentru a se identifica sateliţii, se iau eşantioane până la 500 Hz rezultând 21 de frecvenţe diferite pentru un receptor static şi 41 de frecvenţe diferite pentru un receptor in mişcare rapidă.Pentru fiecare din cele 21 sau 41 de frecvenţe, se încearcă 1023 de faze diferite ale codului şi se caută valori maxime. Existând o anumită valoare limită, dacă trece peste această valoare atunci este satelitul căutat.

2. Etapa de urmărire: valorile fazei codului şi ale frecvenţei determinate în etapa anterioară trebuie prelucrate mai departe şi să se ţină cont de modificări ulterioare. Precizia valorii finale a fazei codului influenţează precizia pseudo-distanţei ce se va calcula ulterior.Etapa de urmărire a codului se implementează ca buclă DLL (Delay Lock Loop). În etapa respectivă se generează 3 coduri locale (replici) ce se corelează cu semnalul de intrare. Acestea se numesc: Early (timpurie), Prompt şi Late (întârziată). Cele 3 coduri sunt separate prin jumătate de chip. Etapa de urmărire a purtătoarei se face prin urmărirea frecvenţei sau a fazei semnalului. Procesul de urmărire se efectuează continuu pentru a observa modificările în timp. Dacă s-a pierdut semnalul de la un satelit, procesul reîncepe.

3. Extragerea datelor de navigaţieSe elimină codul C/A şi purtătoarea, rămânând semnalul de navigaţie de 50 biţi/s. Valoarea unui bit de date este determinată prin integrare pe durata de 20ms. Se urmăreşte semnalul de navigaţie

4

pe o perioadă de aproximativ 30 de secunde pentru a se găsi începutul unui sub-pachet de date (subframe).

4. Determinarea poziţiei : se face calculând pseudodistanţele de la sateliţi, pe baza efemeridelor acestora şi a timpului de propagare al semnalului.

Etapa de achiziţie a semnalului de la satelitÎn receptorul hardware, etapa de achiziţie este efectuată de un circuit integrat orientat pe aplicaţii iar in receptorul software etapa de achiziţie este implementată ca program.Există mai multe metode de achiziţie a semnalelor.

Metoda de achiziţie serială

PRN – generatorul de coduri PRN ale sateliţilor.

Metoda se foloseşte în cazul sistemelor cu acces multiplu CDMA.Algoritmul se bazează pe multiplicarea cu un cod PRN şi purtătoare generate local. Codul PRN este specific unui anumit satelit. Codul are o anumită fază, între 0-1022 chips. Semnalul de intrare este multiplicat cu acestă secvenţă generată local, iar rezultanta este multiplicată cu o purtătoare generată local. Rezultă un semnal în fază I, iar multiplicarea cu un semnal defazat cu 90° generează semnalul în cuadratură Q.Integrarea se face pe o milisecundă (lungimea codului C/A este de 1 milisecundă). În cazul ideal, ar trebui ca semnalul dorit să fie pe ramificaţie I (pe semnalul în fază), deoarece codul C/A modulează numai semnalul I. Din cauză că nu se cunoaşte faza semnalului, trebuie analizate ambele componente. Semnalul de ieşire se obţine prin corelarea semnalului de intrare şi a celui generat de receptor. Dacă valoarea obţinută depăşeşte un anumit prag, frecvenţa şi faza sunt corecte şi se poate trece la etapa de urmărire.Algoritmul de achiziţie serială efectuează o baleiere pe toate frecvenţele purtătoare posibile (frecvenţa intermediară pe intervale de 500 Hz şi o baleiere pe toate fazele posibile ale celor 1023 de coduri PRN:

5

combinaţii.

Generarea codului se poate face pe rând; sau offline. Generarea secvenţelor de fiecare dată când algoritmul este executat nu convine, de aceea se preferă generarea offline.Împreună cu cele 32 de PRN-uri, se generează toate secvenţele modifiate, rezultând 32736 variante. Codul PRN trebuie să fie eşantionat ca şi semnalul recepţionat (38,192 MHz).

Generarea purtătoarei: două semnale defazate cu corespunzătoare unui semnal cosinus şi sinus.Purtătoarea trebuie să aibă o frecvenţă corespunzătoare frecvenţei intermediare . Frecvenţa de eşantionare este 38,192Mhz şi perioada de repetiţie de 1 ms.Un semnal complex se generează utilizând funcţia exponenţială .În finalul algoritmului, se integrează şi se ridică la pătrat rezultatele multiplicării cu semnalele sin şi cos.Se însumează valorile obţinute pentru semnalele în fază şi în cuadratură şi se compară fazele.

Metoda de achiziţie prin căutare paralelă în domeniul frecvenţelor Metoda de achiziţie serială este un proces de durată, implicând verificarea tuturor valorilor posibile ale frecvenţei şi fazei codului. Viteza de lucru poate fi crescută dacă s-ar renunţa la unul din parametrii sau dacă ar fi posibilă căutarea în paralel.

Se multiplică semnalul de intare cu o secvenţă PRN generată în receptor, specifică satelitului şi cu o fază între 0-1022. Se face trecerea în domeniul frecvenţelor prin aplicarea transformatei Fourier discrete (DFT) sau a transformatei Fourier rapide (FFT). Transformata Fourier rapidă are nevoie de o secvenţă de intarere de lungime 2n. Când se generează codul PRN în receptor acesta se multiplică cu semnalul de intrare rezultând un semnal continuu, cu condiţia ca cele două coduri să fie perfect aliniate.

6

După obţinerea alinierii şi maximului de semnal, precizia frecvenţei determinate depinde de numărul de eşantioane analizate. Dacă se analizează pe intervalul de 1 ms, rezultă frecvenţa de eşantionare şi numărul de eşantioane va fi de 10000. Pentru primele eşantioane N/2 eşantioane, frecvenţa va fi cuprinsă înter 0 şi (în cazul transformatei Fourier discrete).

În acest caz, precizia de estimare a frecvenţei este de 1kHz, faţă de 500 Hz la achiziţia serială.Achiziţia în paralel lucrează doar cu 1023 de faze diferite ale codului, deci algoritmul este mai rapid.

Metoda de achiziţie prin căutare paralelă a fazei coduluiPentru un receptor aflat într-un vehicul cu viteză mare de deplasare, este necesară verificarea a 41 de frecvenţe posibile.Se consideră secvenţele x(n) , y(n) de lungime N, pentru care se determină transformatele Fourier:

Funcţia de intercorelaţie între cele două secvenţe, repetate periodic este:

Transformata Fourier discretă este:

unde X* este complex conjugata lui X.

7

Semnalele în fază şi în cuadratură formează semnalul complex: x(n) = I(n) +jQ(n) şi se aplică TF.Codului PRN generat i se aplică TF, se calculează conjugata complexă şi se multiplică ci TF a semnalului. Rezultatul se transformă în domeniul timp cu ajutorul TF inverse. Valoarea maximă (dacă există) reprezintă faza codului PRN a semnalului de intrare.Metoda este mai precisă, dacă frecvenţa de eşantionare este 10Mhz, codul PRN are 10.000 eşantioane, deci există 10000 valori posibile, faţă de 1023.

Comparaţie:Algoritm de achiziţie Repetări Complexitate Frecvenţă[MHz] Faza coduluiserială 41943 scăzută 9,5475 359paralelă a frecvenţei 1023 medie 9,548 359paralelă a fazei codului 41 ridicată 9,5479 13404

8