Чувствительность навигационных модулей (лабораторная работа) — различия между версиями

Материал из SRNS
Перейти к: навигация, поиск
(→‎Схемы экспериментальных установок)
(→‎Лабораторное задание)
Строка 139: Строка 139:
 
== Лабораторное задание ==
 
== Лабораторное задание ==
  
−
Для проведения экспериментального исследования чувствительности модуля НП выполните подготовительные этапы 1, 2, а затем выполните пункты методики, соответствующие плану экспериментальных исследований. Результаты фиксируйте в [[#Приложение А. Бланк протокола|протоколе]].
+
Для проведения экспериментального исследования чувствительности модуля НП выполните подготовительный этапы 1, а затем выполните пункты методики, соответствующие плану экспериментальных исследований. Результаты фиксируйте в [[#Приложение А. Бланк протокола|протоколе]].
  
  
−
=== 1 Определение коэффициента передачи аттенюатора ===
+
=== 1 Определение коэффициента передачи сборного аттенюатора ===
  
−
1.1 Собрать экспериментальную установку для измерения характеристик аттенюатора согласно [[#pic2|рис. 2]]. В качестве аттенюатора использовать сборный с номинальным коэффициентом ослабления 50-60 дБ.  
+
Коэффициент ослабления сборного аттенюатора может отличаться от суммы номиналов. На первом этапе проведем измерение этого коэффициента, заодно освоив управление генератором сигнала и анализатором спектра.  
  
−
1.2 Включить генератор навигационного сигнала (ГНС), 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 или помехового сигнала.
+
1.1 Собрать экспериментальную установку для измерения характеристик аттенюатора согласно [[#pic2|рис. 2]], включив в схему аттенюатор как показано на рисунке. В качестве аттенюатора использовать сборный с номинальным коэффициентом ослабления 85-95 дБ.  
  
−
1.3 С помощью ГС и АС определить коэффициент ослабления аттенюатора <math>K_{att}</math>, дБ. При включенном в схему аттенюаторе установить на ГС формирование синусоидального сигнала с частотой, равной центральной частоте рабочего диапазона (для ГЛОНАСС L1 1602,0 МГц, для GPS L1 1575,42 МГц) и мощностью, измеряемой АС, <math>P_{with}</math> = - 70 дБм. Исключить их схемы аттенюатор - соединить разветвитель и АС. Измерить мощность <math>P_{without}</math> синусоидального сигнала с помощью АС. Найти <math>K_{att} = P_{without}-P_{with}</math>. Занести значение <math>K_{att}</math> (положительное число) в протокол.
+
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).
  
−
<br>
+
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.
  
−
=== 2 Определение разности коэффициентов передачи разветвителя ===
+
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'').
  
−
2.1 Собрать экспериментальную установку для измерения характеристик разветвителя согласно [[#pic3|рис. 3]].  
+
1.4 С помощью ГС и АС определить коэффициент ослабления аттенюатора <math>K_{att}</math>, дБ:
  
−
2.2 Установить на ГНС формирование синусоидального сигнала с частотой, равной центральной частоте рабочего диапазона (для ГЛОНАСС L1 1602,0 МГц, для GPS L1 1575,42 МГц) и мощностью, измеряемой АС, <math>P_{g,1}</math> = - 60 дБм. Текущий выход разветвителя, соединенный с АС, считать ''первым''.
+
:1.4.1 Включить радиочастотный выход генератора (''RF on''), подав тем самым гармоническое колебание с выбранной частотой и амплитудой на его выход.  
  
−
2.3 Перекоммутировать выходы разветвителя (при возможности, вместе с соединительными кабелями). Измерить мощность сигнала <math>P_{g,2}</math> с помощью АС. Текущий выход разветвителя, соединенный с АС, считать ''вторым''.
+
:1.4.2 С помощью АС измерить мощность гармонического колебания после прохождения аттенюатора. Записать измеренное значение <math>P_{with}</math> в отчет.  
−
 
+
−
2.4 Определить разность коэффициентов передачи разветвителя как <math>\Delta K = P_{g,2} - P_{g,1}</math>, зафиксировать полученное значение в протоколе. В дальнейшем второй выход использовать для подключения к АС, первый - к МШУ.
+
−
 
+
−
<br>
+
−
 
+
−
=== 3 Определение помехоустойчивости навигационного модуля в условии холодного старта ===
+
−
 
+
−
3.1 При необходимости выполнить пункты подготовки 1, 2, занести полученные значения <math>K_{att}</math>, <math>\Delta{K}</math>  в протокол.
+
−
 
+
−
3.2 Занести в протокол параметры,  использующиеся при проведении экспериментов:
+
−
*Т1 = 60 сек;
+
−
*Т2 = 300 сек.
+
−
 
+
−
3.3 Собрать экспериментальную установку согласно [[#pic4|рис. 4]].
+
−
 
+
−
3.4 Включить ЭВМ и запустить ПО для отображения, сохранения и установки параметров модуля НП.
+
−
 
+
−
3.5 На ГНС запустить требуемый сценарий имитации. Установить уровень сигнала ГНС (далее навигационный сигнал) для каждого спутника равным <math>P_S</math> = -125 +  <math>\Delta{K}</math> + <math>K_{att}</math> ± 1 дБм по измерениям АС. Занести измеренное значение <math>P_S</math> в протокол.
+
−
 
+
−
3.6 Включить модуль НП.
+
−
 
+
−
3.7 Установить связь ЭВМ с модулем НП. Задать параметры работы в соответствии с планом проведения экспериментальных исследований:
+
−
* система (ГЛОНАСС или GPS);
+
−
* частотный диапазон (L1);
+
−
* тип сигналов (СТ или C/A).
+
−
 
+
−
3.8 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, 3.2-3.7. Если проверка не выявила нарушений пунктов методики, записать в качестве оценки параметра <math>J/S</math> = 0. Сообщить преподавателю. Перейти к следующему пункту плана экспериментальных исследований.
+
−
 
+
−
3.9 Выключить модуль НП и ВЧ выход ГНС.
+
−
 
+
−
3.10 Установить на генераторе помехового сигнала (далее ГПС) соответствующие экспериментальному исследованию тип и параметры выходных сигналов (далее помеховых сигналов) в соответствии с Приложением B.
+
−
 
+
−
3.11 Включить выход ГПС, контролируя значения по АС установить мощность помехового сигнала на втором выходе разветвителя  <math>P_{J} = P_{J,max}</math> = - 70 дБм + <math>K_{att}</math>. Полоса измерения АС должна быть согласованной с полосой соответствующего навигационного сигнала при каждом измерении.
+
−
 
+
−
3.12 Включить ВЧ выход ГНС, затем включить модуль НП. Установить связь ЭВМ с модулем НП и задать параметры работы как в п. 3.7.
+
−
 
+
−
3.13 С помощью общего регулятора мощности ГПС синхронно уменьшать мощность помехового сигнала <math>P_{J}</math> на 3 дБ (по показаниям ГПС или АС) через каждый интервал времени T1, контролируя отсутствие выдачи навигационного 3D-решения. Когда модуль НП начнет выдавать навигационное 3D-решение, выключить ВЧ выход ГНС. Измерить с помощью АС мощность помехового сигнала. Занести в протокол измеренную мощность помехового сигнала <math>P_{J,0}</math>.
+
−
 
+
−
3.14 Установить мощность помехового сигнала на втором выходе разветвителя <math>P_{J} = P_{J,0}</math> + 10 дБм по измерениям АС. Перезапустить сценарий имитации на ГНС, включить ВЧ выход ГНС.
+
−
 
+
−
3.15 Выключить и включить модуль НП, установить связь ЭВМ с модулем НП и задать параметры работы как в п. 3.7. Выждать время Т2, убедиться в отсутствии навигационного 3D-решения. Если навигационное 3D-решение всё же выдается, то повторить п.п. 3.14-3.15, увеличив мощность помехового сигнала на 3 дБ с помощью общего регулятора мощности ГПС.
+
−
 
+
−
3.16 Уменьшить мощность помехи на 1 дБ, выждать время Т2, проконтролировать наличие/отсутствие навигационного 3D-решения на выходе НП.
+
−
 
+
−
3.17 При отсутствии навигационного 3D-решения в течение 2 минут без перерывов, превышающих 10-секундный интервал, повторить пп. 3.15-3.17.
+
−
+
−
3.18 При наличии навигационного 3D-решения в течение 2 минут без перерывов, превышающих 10-секундный интервал, зафиксировать граничное значение мощности <math>P_{J,i} = P_{J}</math> дБм  помехового сигнала.
+
  
−
3.19 Рассчитать коэффициент подавления НП по формуле <math>J/S_i = P_{J,i} - P_S</math> (дБ). Зафиксировать рассчитанное значение в протоколе.
+
:1.4.3 Исключить из схемы аттенюатор - соединить разветвитель и АС. И
  
−
3.20 Набрать статистику значений <math>J/S_i</math> из 5 экспериментов повторяя выполнение пп. 3.14-3.18. Выполнение п. 3.14 допускается начинать с установки  <math>P_{J} = P_{J,i-1}</math> + 2 дБм, где <math>P_{J,i-1}</math> - граничное значение мощности помехового сигнала, полученное в предыдущем эксперименте по набору статистики.
+
:1.4.4 Измерить мощность <math>P_{without}</math> гармонического сигнала с помощью АС.  
  
−
3.20 Рассчитать среднеарифметическое значение <math>J/S</math> по полученным значениям <math>J/S_i</math>, <math>i = 1,..,5</math>. Зафиксировать рассчитанное значение <math>J/S</math> в протоколе.
+
:1.4.5 Найти <math>K_{att} = P_{without}-P_{with}</math>. Занести значение <math>K_{att}</math> (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.
 
<br>
 
<br>
  
−
=== 4 Определение помехоустойчивости навигационного модуля в условии слежения ===
+
=== 2 Определение чувствительности навигационного модуля в условии холодного старта ===
  
 +
2.1 При необходимости выполнить пункт подготовки 1, занести полученное значения <math>K_{att}</math>  в протокол.
  
−
4.1 При необходимости выполнить пункты подготовки 1, 2, занести полученные значения <math>K_{att}</math>, <math>\Delta{K}</math>  в протокол.
+
2.2 Собрать экспериментальную установку согласно [[#pic3|рис. 3]].
  
−
4.2 Занести в протокол параметры, использующиеся при испытаниях:
+
2.3 Включить ПК и запустить программное обеспечение (ПО) для отображения, сохранения и установки параметров модуля НП.
−
*Т1 = 30 секунд;
+
−
*Т2 = 120 секунд.
+
  
−
4.3 На ГНС запустить требуемый сценарий имитации. Установить уровень сигнала ГНС (далее навигационный сигнал) для каждого спутника равным <math>P_S</math> = -125 +  <math>\Delta{K}</math> + <math>K_{att}</math> ± 1 дБм по измерениям АС. Занести измеренное значение <math>P_S</math> в протокол.  
+
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.  
  
−
4.4 Собрать экспериментальную установку согласно [[#pic4|рис. 4]]. Включить ЭВМ и запустить ПО для отображения, сохранения и установки параметров модуля НП.
+
2.5  Включить радиочастотный выход ГС (''RF on''). Установить уровень сигнала ГС для каждого спутника равным <math>P_S</math> = -125 + <math>K_{att}</math> ± 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).
  
−
4.5 Включить модуль НП.
+
2.6 Включить модуль НП.
  
−
4.6 Установить связь ЭВМ с модулем НП. Задать параметры работы:
+
2.7 Установить связь интерфейсного ПО с модулем НП. Задать параметры работы в соответствии с планом проведения экспериментальных исследований:
−
* система (ГЛОНАСС или GPS);
+
* система (GPS);
 
* частотный диапазон (L1);
 
* частотный диапазон (L1);
−
* тип сигналов (СТ или C/A).
+
* тип сигналов (C/A).
  
−
4.7 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, 4.3-4.6. Если проверка не выявила нарушений пунктов методики, записать в качестве оценки параметра <math>J/S</math> = 0. Сообщить преподавателю. Перейти к следующему пункту плана экспериментальных исследований.
+
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.  
  
−
4.8 Выключить модуль НП и ВЧ выход ГНС.
+
2.9 Выключить модуль НП.
  
−
4.9 Установить на ГПС соответствующий экспериментальному исследованию тип и параметры выходного сигнала (далее помехового сигнала) в соответствии с Приложением B.  
+
2.10 На ГС перезапустить требуемый сценарий имитации. Установить уровень сигнала ГС для каждого спутника равным <math>P_S</math> = <math>P_{search, start}</math> + <math>K_{att}</math> ± 1 дБм по измерениям АС (не забыть о вычитании 6 дБ при имитации 4 сигналов). В качестве значения <math>P_{search, start}</math> для современных модулей (u-blox NEO-6Q, NAVIS NV08C) взять -144 дБм, для приемников предыдущих поколений (СН-4706) выбрать -133 дБм.  
  
−
4.10 Включить выход ГПС,  контролируя значения по АС установить мощность помехового сигнала на втором выходе разветвителя  <math>P_{J} = P_{J,min}</math> = - 110 дБм + <math>K_{att}</math>. Полоса измерения АС должна быть согласованной с полосой соответствующего навигационного сигнала при каждом измерении.
+
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.
−
+
−
4.11 Включить модуль НП, установить связь ЭВМ с модулем НП и задать параметры работы как в п. 4.6. Через 2 минуты убедиться, что модуль НП в течение 2 минут выдает навигационное 3D-решение без перерывов, превышающих 10 сек.
+
  
−
4.12 С помощью общего регулятора выходной мощности ГПС увеличивать мощность помехи на выходе ГС на 3 дБ через каждый интервал времени Т1 до тех пор, пока модуль НП не перестанет выдавать навигационное 3D-решение. Выключить ВЧ выход ГНС. Измерить с помощью АС мощность помехового сигнала. Занести в протокол измеренную мощность помехового сигнала <math>P_{J,0}</math>.
+
2.12 Увеличить мощность навигационного сигнала на 1 дБ, выждать 300 секунд, проконтролировать наличие/отсутствие навигационного 3D-решения на выходе НП.
  
−
4.13 Отключить ВЧ выход ГПС. Выключить модуль НП. Включить ВЧ выход ГНС. Перезапустить сценарий имитации на ИС.
+
2.13 Если за 300 секунд навигационный модуль не начал выдавать навигационное 3D-решение, повторить пп. 2.12-2.13.
−
 
+
−
4.14 Включить модуль НП, установить связь ЭВМ с модулем НП и задать параметры работы как в п. 4.6.
+
−
 
+
−
4.15 Через 2 минуты убедиться, что модуль НП в течение 2 минут выдает навигационное 3D-решение без перерывов, превышающих 10 сек.
+
−
 
+
−
4.16 При испытаниях на помехоустойчивость в некогерентном/когерентном режиме слежения, перевести модуль НП в некогерентный/когерентный режим с помощью интерфейсного ПО на ПК.
+
−
 
+
−
4.17 Контролируя значения по АС установить мощность помехового сигнала на втором выходе разветвителя <math>P_{J}</math> = <math>P_{J,0}</math> – 6 дБм. Включить выходной сигнал ГПС. 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 4.13-4.17, уменьшив выходную мощность ГПС на 3 дБ.
+
−
 
+
−
4.18 Увеличить мощность помехи 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. 4.18.
+
−
 
+
−
4.19 При нарушении условия п. 4.18: выключить ВЧ выход ИС, уменьшить выходную мощность помехи на 1 дБ, зафиксировать граничное значение мощности <math>P_{J,i}</math> = <math>P_{J}</math> помехового сигнала по измерениям АС.
+
−
 
+
−
4.20 Рассчитать коэффициент подавления НП по формуле <math>J/S_i = P_{J,i} - P_S</math> (дБ). Зафиксировать рассчитанное значение в протоколе.
+
−
 
+
−
4.21 Набрать статистику значений <math>J/S_i</math> из 5 экспериментов повторяя выполнение пп. 4.13-4.20. Выполнение п. 3.17 допускается начинать с установки  <math>P_{J} = P_{J,i-1}</math> - 3 дБм, где <math>P_{J,i-1}</math> - граничное значение мощности помехового сигнала, полученное в предыдущем эксперименте по набору статистики.
+
−
 
+
−
4.22 Рассчитать среднеарифметическое значение <math>J/S</math> по полученным значениям <math>J/S_i</math>, <math>i = 1,..,5</math>. Зафиксировать рассчитанное значение <math>J/S</math> в протоколе.
+
−
 
+
−
<br>
+
−
 
+
−
=== 5 Определение чувствительности навигационного модуля в условии холодного старта ===
+
−
 
+
−
5.1 При необходимости выполнить пункты подготовки 1, 2, занести полученные значения <math>K_{att}</math>, <math>\Delta{K}</math>  в протокол.
+
−
 
+
−
5.2 Занести в протокол параметры, использующиеся при проведении экспериментов:
+
−
*Т1 = 60 сек;
+
−
*Т2 = 300 сек.
+
−
 
+
−
5.3 Собрать экспериментальную установку согласно [[#pic4|рис. 4]]. Выключить ВЧ выход ГПС.
+
−
 
+
−
5.4 Включить ЭВМ и запустить ПО для отображения, сохранения и установки параметров модуля НП.
+
−
 
+
−
5.5 На ГНС запустить требуемый сценарий имитации. Установить уровень сигнала ГНС (далее навигационный сигнал) для каждого спутника равным <math>P_S</math> = -125 +  <math>\Delta{K}</math> + <math>K_{att}</math> ± 1 дБм по измерениям АС.
+
−
 
+
−
5.6 Включить модуль НП.
+
−
 
+
−
5.7 Установить связь ЭВМ с модулем НП. Задать параметры работы в соответствии с планом проведения экспериментальных исследований:
+
−
* система (ГЛОНАСС или GPS);
+
−
* частотный диапазон (L1);
+
−
* тип сигналов (СТ или C/A).
+
−
 
+
−
5.8 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, 5.2-5.7. Если проверка не выявила нарушений пунктов методики, записать в качестве оценки параметра <math>J/S</math> = 0. Сообщить преподавателю. Перейти к следующему пункту плана экспериментальных исследований.
+
−
 
+
−
5.9 Выключить модуль НП и ВЧ выход ГНС.
+
−
 
+
−
5.10 На ГНС перезапустить требуемый сценарий имитации. Установить уровень сигнала ГНС (далее навигационный сигнал) для каждого спутника равным <math>P_S</math> = -170 +  <math>\Delta{K}</math> + <math>K_{att}</math> ± 1 дБм по измерениям АС. Включить ВЧ выход ГНС.
+
−
 
+
−
5.11 Включить модуль НП. Установить связь ЭВМ с модулем НП и задать параметры работы как в п. 5.7.
+
−
 
+
−
5.12 С помощью регулятора мощности ГНС увеличивать мощность навигационного сигнала <math>P_{S}</math> на 3 дБ (по показаниям ГНС или АС) через каждый интервал времени T1, контролируя отсутствие выдачи навигационного 3D-решения. Когда модуль НП начнет выдавать навигационное 3D-решение, измерить с помощью АС мощность навигационного сигнала. Занести в протокол измеренную мощность помехового сигнала <math>P_{S,0}</math>.
+
−
 
+
−
5.13 Установить мощность навигационного сигнала на втором выходе разветвителя <math>P_{S} = P_{S,0}</math> - 5 дБм по измерениям АС. Перезапустить сценарий имитации на ГНС, включить ВЧ выход ГНС.
+
−
 
+
−
5.14 Выключить и включить модуль НП, установить связь ЭВМ с модулем НП и задать параметры работы как в п. 5.7. Выждать время Т2, убедиться в отсутствии навигационного 3D-решения. Если навигационное 3D-решение всё же выдается, то повторить п.п. 5.13-5.14, уменьшив мощность навигационного сигнала на 3 дБ с помощью регулятора мощности ГНС.
+
−
 
+
−
5.15 Увеличить мощность навигационного сигнала на 1 дБ, выждать время Т2, проконтролировать наличие/отсутствие навигационного 3D-решения на выходе НП.
+
−
 
+
−
5.16 При отсутствии навигационного 3D-решения в течение 2 минут без перерывов, превышающих 10-секундный интервал, повторить пп. 5.14-5.16, увеличивая мощность навигационного сигнала.
+
 
   
 
   
−
5.17 При наличии навигационного 3D-решения в течение 2 минут без перерывов, превышающих 10-секундный интервал, зафиксировать граничное значение мощности <math>P_{S,i} = P_{S}</math> дБм  навигационного сигнала.
+
2.14 Если за 300 секунд модуль начал выдавать навигационное 3D-решение, зафиксировать граничное значение мощности одного навигационного сигнала <math>P_{Search, min ,i} = P_{S}</math> дБм в протокол. Измерение мощности сигнала проводить с помощью АС, не забывая учитывать количество спутников.  
−
 
+
−
5.18 Набрать статистику значений <math>P_{S,i}</math> из 5 экспериментов повторяя выполнение пп. 5.13-5.17. Выполнение п. 5.13 допускается начинать с установки  <math>P_{S} = P_{S,i-1}</math> - 2 дБм, где <math>P_{S,i-1}</math> - граничное значение мощности навигационного сигнала, полученное в предыдущем эксперименте по набору статистики.
+
  
 
5.19 Рассчитать среднеарифметическое значение <math>P_{S}</math> по полученным значениям <math>P_{S,i}</math>, <math>i = 1,..,5</math>. Зафиксировать рассчитанное значение <math>P_{S}</math> в протоколе.
 
5.19 Рассчитать среднеарифметическое значение <math>P_{S}</math> по полученным значениям <math>P_{S,i}</math>, <math>i = 1,..,5</math>. Зафиксировать рассчитанное значение <math>P_{S}</math> в протоколе.
Строка 355: Строка 245:
  
 
6.17 Рассчитать среднеарифметическое значение <math>P_{S}</math> по полученным значениям <math>P_{S,i}</math>, <math>i = 1,..,5</math>. Зафиксировать рассчитанное значение <math>P_{S}</math> в протоколе.
 
6.17 Рассчитать среднеарифметическое значение <math>P_{S}</math> по полученным значениям <math>P_{S,i}</math>, <math>i = 1,..,5</math>. Зафиксировать рассчитанное значение <math>P_{S}</math> в протоколе.
 +
 +
5.18 Набрать статистику значений <math>P_{S,i}</math> из 5 экспериментов повторяя выполнение пп. 5.13-5.17. Выполнение п. 5.13 допускается начинать с установки  <math>P_{S} = P_{S,i-1}</math> - 2 дБм, где <math>P_{S,i-1}</math> - граничное значение мощности навигационного сигнала, полученное в предыдущем эксперименте по набору статистики.
  
 
== Контрольные вопросы ==
 
== Контрольные вопросы ==

Версия 21:21, 14 декабря 2011

Содержание

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

20111121 modul NP.png
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.


20111120 Sxema IzmAtten Sensiv.png
Рисунок 2 - Схема экспериментальной установки для измерения характеристик аттенюатора


20111120 Sxema IzmSensiv.png
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

Кatt = +          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

Кatt = +          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

Кatt = +          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

Кatt = +          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 B. Характеристики помех

Приложение C. Описание навигационных модулей

НАВИС NV-08C

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.

20110522 SN-4706 385x300 coin.jpg
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

u-blox NEO-6Q

Приложение D. Описание постановщиков помех

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.

20111121 U-center.jpg
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)

20111121 u-center port.png
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).

20111121 U-center-3D.png
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)

20111121 u-center coldstart.png
Рисунок E.4 - Передача команды на холодный старт

BM Control

Приложение F. Примеры установки параметров генератора сигналов и анализатора спектра

Имитация навигационных сигналов системы NAVSTAR GPS с помощью векторного генератора сигналов R&S SMJ100A

Генерирование шумовой помехи с помощью векторного генератора сигналов R&S SMJ100A

Измерение мощности навигационного сигнала с помощью анализатора спектра R&S FSU3

Источник — «https://www.srns.ru/index.php?title=Чувствительность_навигационных_модулей_(лабораторная_работа)&oldid=5706»
Персональные инструменты
Пространства имён

Варианты
Действия
SRNS Wiki
Рабочие журналы
Приватный файлсервер
QNAP Сервер
Инструменты