بخشی از مقاله
چکیده
هدف از سیستم ناوبری ماهوارهای جهانی GLONASS فراهم کردن امکان تشخیص موقعیت سه بعدی، سرعت سه بعدی و زمان برای انواع کاربران - هوایی، دریایی و ... - در شرایط مختلف آب و هوایی و در همه نقاط زمین است. شبیهساز GLONASS، سیگنال این سیستم ناوبری را برای هر موقعیتی تولید میکند و میتواند در تست موقعیتیابها و یا فریب آنها با ایجاد موقعیت جعلی استفاده شود، هدف این مقاله نیز طراحی یک شبیهساز سیگنال GLONASS است به نحوی که بتوان به گیرندهای که براساس GLONASS موقعیتیابی میکند یک موقعیت دلخواه را القا کرد.
برای طراحی شبیهساز ابتدا ساختار سند کنترل - ICD - مربوط به GLONASS بررسی شده است و سپس با توجه به اطلاعات نجومی - ephemeris - ماهوارهها، داده آنها تولید میشود و پس از اعمال اثرات ناشی از داپلر، تاخیر، فرکانس حامل و فرکانس IF سیگنالی مشابه با آنچه که ماهوارهها برای یک موقعیت خاص میفرستند، تولید میشود. همچنین در این مقاله برای راحتی کاربر، یک واسط گرافیکی نیز با کمک نرمافزار متلب تهیه شده است و در آخر نیز، درستی سیگنال تولیدی برای یک موقعیت خاص، توسط نرمافزار گیرنده GLONASS بررسی شده است.
-1 مقدمه
هدف از سیستم ناوبری ماهوارهای جهانی GLONASS فراهم کردن امکان تشخیص موقعیت سه بعدی، سرعت سه بعدی و زمان برای انواع کاربران - هوایی، دریایی و ... - در شرایط مختلف آب و هوایی و در همه نقاط زمین است.سیستم ناوبری GLONASS در دو باند نظامی و غیرنظامی فعالیت دارد که هدف این مقاله شبیهسازی سیگنال GLONASS در باند غیرنظامی آن میباشد. این پروژه در سال 1976 توسط اتحاد جماهیر شوروی آغاز شد وبه گرانترین پروژه آژانس فضایی فدرال روسیه تبدیل شد به طوری که یک سوم بودجه این آژانس در سال 2010 صرف این پروژه شد. GLONASS به طور کلی از سه جزء تشکیل شده است :
-1 منظومه ماهوارهها: منظومه کامل GLONASS متشکل از 24 ماهواره در سه صفحه مداری میباشد. هر ماهواره در یک دایره ارتفاع 19100 کیلومتر با زاویه تمایل 64,8 درجه میچرخد، به طوری که با گذشت زمان تقریبی 11 ساعت و 15 دقیقه یک دور کامل میزند و نحوه قرارگیری ماهوارههای GLONASS این امکان را به این سیستم میدهد تا برای کل نواحی نزدیک زمین پوشش ایجاد کند.
-2 تجهیزات کنترل زمینی: این بخش متشکل از مرکز کنترل سیستم و شبکه فرمان و ردیابی میباشد که در خاک روسیه قرار دارند. بخش کنترلی وظیفه فراهم کردن امکان پایش وضعیت منظومه GLONASS، اصلاح پارامترهای مداری و بارگذاری اطلاعات ناوبری را دارد.
-3 تجهیزات کاربر: این بخش هم متشکل از تجهیزات مربوط به دریافت و پردازش سیگنال ناوبری دریافتی است تا کاربر با انجام محاسباتی موقعیت و سرعت و زمان خود را تشخصی دهد. یک گیرنده با داشتن سیگنال 4 ماهواره میتواند موقعیت و سرعت سه بعدی خود و زمان را تشخیص دهد. برای درک بهتر عملکرد شبیهساز GLONASS ابتدا باید ساختار گیرندههای مبتنی بر GLONASS بررسی شود.
کاربر میتواند با کمک تکنیکهای مربوط به طیف گسترده فاصله زمانی خود با هر ماهواره را بدست آورد و سپس با توجه به سرعت انتشار امواج در فضا، فاصله خود با هر ماهواره را محاسبه کند. با توجه به اینکه موقعیت ماهواره در هر لحظه قابل محاسبه میباشد [1] و فاصله کاربر با هر ماهواره هم بدست آمده است با داشتن سیگنال حداقل 4 ماهواره، کاربر میتواند موقعیت و سرعت سه بعدی و زمان خود را محاسبه کند. در سیستم 24 ماهوارهای %99 سطح زمین حداقل با 5 ماهواره پوشش داده میشود [2] پس برای واقعیتر بودن سیگنال تولیدی، سیگنال 5 ماهواره نزدیکتر به کاربر تولید شده است.
ساختار ادامه مقاله به این صورت است که در بخش دوم مشخصات پیام ناوبری شامل ساختار فرکانسی، نحوه تولید کد PR1 و ساختار داده ناوبری بررسی شده است. در بخش سوم نحوه اعمال اثر داپلر و تاخیر بر روی سیگنال ماهواره، در بخش چهارم نحوه پیادهسازی، توضیح کلی کد و نحوه پیدا کردن اطلاعاتephemeris ماهوارهها ارائه شده است. در نهایت، در بخش ششم نتایج کار شامل درستی اعمال اطلاعات ephemeris و درستی تولید سیگنال برای یک موقعیت خاص بررسی شده است.
3؛-2 ساختار پیام ناوبری
پیام ناوبری شامل اطلاعات ضروری - ephemeris - و اطلاعات غیرضروری - almanac - است. با توجه به اینکه اطلاعات almanac هر 24 ساعت یکبار و اطلاعات ephemeris هر 30 دقیقه یکبار به روزرسانی میشوند خطای موقعیتیابی از روی اطلاعات almanac زیاد است و یک گیرنده GLONASS در صورت وجود اطلاعات ephemeris حداقل 4 ماهواره، دیگر نیازی به اطلاعات almanac ندارد .[2]
پس برای تولید پیام ناوبری فقط بیتهای مربوط به اطلاعات ephemeris لحاظ میشوند. پیام ناوبری توسط کد همینگ، کدگذاری و به کد نسبی2 تبدیل میشود، که این کد همینگ قابلیت تصحیح 1 بیت خطا و تشخیص 2 یا بیشتر از 2 بیت خطا را دارد - الگوریتم مربوط به کد همینگ در[1] آمده است - . داده تولید شده ناشی از تکرار پیوسته یک سری سوپرفریم که طول هر سوپرفریم 2,5 دقیقه است، میباشد.
هر سوپرفریم متشکل از 5 فریم و طول هر فریم 30 ثانیه است و هر فریم متشکل از 15 رشته است که طول هر رشته 2 ثانیه میشود .[1] با توجه به اینکه فریمهای مختلف فقط در اطلاعات almanac با هم متفاوت هستند و اطلاعات ephemeris یکسانی دارند تنها ساختار یکی از فریمها بررسی میشود. هر رشته مطابق شکل - - 2 از 85 بیت داده دیجیتال 77 - بیت پیام ناوبری و 8 بیت کد همینگ - که طول هر بیت آن 20 میلیثانیه است و 30 بیت نشان زمانی3 که طول هر بیت آن 10 میلیثانیه است تشکیل شده است.
فرآیند تولید پیام ناوبری مطابق شکل - 3 - میباشد. در توضیح شکل - - 3 میتوان گفت که پس از تولید بیتهای پیام ناوبری - دنباله 77 بیتی - کدینگ همینگ 8 بیتی روی آن انجام میشود و دنباله 85 بیتی شکل میگیرد. سپس، هر بیت با بیت قبلیاش جمع میشود و به این ترتیب کد نسبی - که قبلا به آن اشاره شد - بر روی دنباله اعمال و دنباله تولید میشود.
دنباله با دنباله پیچ و خمدار کمکی4 جمع مود 2 میشود به این صورت که به جای هر بیت 1 و هر بیت 0 با طول 20 میلی ثانیه به ترتیب دو بیت 10 و 01 قرار میگیرد که طول هر بیت آن 10 میلی ثانیه است، بنابراین دنباله 85 بیتی به دنباله 170 بیتی تبدیل میشود. پس از اضافه کردن نشان زمانی به آخر دنباله ، دنباله به تعداد 200 بیت که طول هر بیت آن 10 میلی ثانیه است، تولید میشود. در آخر، هر بیت دنباله باید در ده کد PR که کنار هم قرار گرفتهاند، ضرب شود تا دنباله نهایی که به ورودی مدولاتور میرود، تولید شود، که طول هر چیپ این دنباله نهایی 1 ثانیه - تقریبا 2 میکرو ثانیه - میشود.
-3 مشخصات سیگنال ناوبری
گیرندههای مبتنی بر GLONASS اثر داپلر ناشی از حرکت ماهواره و تاخیر ناشی از فاصله ماهواره تا زمین را نیز در موقعیتیابی خود وارد میکنند، پس برای تولید شبیهساز سیگنال GLONASS باید اثر داپلر و تاخیر نیز بر روی سیگنال ماهوارهها اعمال شود. فاصله بین کاربر و ماهواره بر روی فاز سیگنال و پیدا کردن موقعیت ماهواره و اثر داپلر بر روی فاز سیگنال ماهواره تاثیر گذار است.
4؛-2 ساختار فریم و محتوای پیام ناوبری
اطلاعات رشتههای 1 تا 4 هر فریم مربوط به اطلاعات ضروری ماهوارهای است که پیام ناوبری را ارسال میکند. رشته 5ام هر فریم مرتبط به اطلاعات غیرضروری است و برای همه فریمهای یک سوپرفریم یکسان میباشد. رشتههای 6 تا 15 هر فریم نیز در برگیرنده اطلاعات غیرضروری - almanac - برای 24 ماهواره هستند. با توجه به اینکه گفته شد فقط اطلاعات ephemeris در تولید سیگنال شبیهساز لحاظ شدهاند پس فقط ساختار رشتههای 1 تا 4 بررسی میشود. ساختار رشتههای 1 تا 4 هر فریم مطابق شکل 4 است.
انتهای هر رشته 30 بیت نشان زمانی و 8 بیت کد همینگ قرار دارد، همچنین قسمتهای هاشور خورده این شکل بیانگر بیتهای رزرو شده میباشند که در نسخههای بعدی GLONASS مورد استفاده قرار میگیرند. حال پارامترهای مهم شکل - 4 - به صورت مختصر معرفی میشوند. کلمه m شماره رشته را مشخص میکند. کلمه معرف تعداد ثانیه گذشته از ابتدای روز حاضر تا لحظه ابتدایی فریم است.
کلمه بیانگر آن است که اطلاعات ephemeris ارسال شده مربوط به چه زمانی است. کلمه - - بیانگر انحراف نسبی از فرکانس حامل پیشبینی شده nامین ماهواره است و کلمه - - پارامتر تصحیح زمان ماهواره nام نسبت به زمان GLONASS است، که معادل شیف فاز کد PR پیام ناوبری ارسال شده توسط nامین ماهواره نسبت به سیگنال مرجع سیستم میباشد.
1؛-3 محاسبه فاصله
با وجود موقعیت ماهوارهها در اطلاعات ephemeris آنها ممکن است این سوال پیش بیاید که چرا محاسبه موقعیت ماهواره لازم است. چون موقعیت ماهواره که در اطلاعات ephemeris وجود دارد تنها در یک لحظه خاص است و در واقع به عنوان یک شرط اولیه در فرمولهای مربوط به محاسبه موقعیت ماهواره، استفاده میشود. اعتبار اطلاعات 30 ephemeris دقیقه میباشد و در 15 دقیقه بعد و 15 دقیقه قبل از زمان اطلاعات ephemeris میتوان موقعیت ماهواره را حساب کرد. نکته دیگری که باید در مورد محاسبه موقعیت ماهواره دقت کرد، اثر تاخیر است.
فرض کنید فاصله ماهواره تا کاربر باشد پس سیگنالی که در لحظه به کاربر میرسد در واقع در لحظه − - که سرعت نور است - توسط ماهواره ارسال شده است، پس برای کاربر در لحظه باید موقعیت ماهواره در لحظه − لحاظ شود. برای اعمال این اثر میتوان ابتدا موقعیت ماهواره در لحظه را حساب کرد و سپس فاصله کاربر تا ماهواره را محاسبه نمود که آن فاصله تقریبا همان میشود و دوباره موقعیت ماهواره را این بار در لحظه − محاسبه نمود. فرمولهای مربوط به محاسبه موقعیت ماهواره در [1] و [2] آمده است.
