بخشی از مقاله
چکیده
سیستمهای ناوبری ماهوارهای جهانی یا GNSS نقشهای کلیدی در کاربردهای متنوعی شامل مکانیابی هواپیماها، نقشه برداری و مکانیابی خودروها دارند. ماهوارهها با ارسال پیوستهی سیگنال، قابلیت دریافت بیدرنگ موقعیت سه بعدی، سرعت و زمان را برای کاربران روی زمین فراهم میکنند. شبیهسازی سیگنال ارسالی توسط ماهوارهها میتواند در تست گیرندهها استفاده شود.
سیستم ناوبری BeiDou قرار است تا سال 2020 به یکی از سیستمهای ناوبری جهانی تبدیل شود. در این پروژه سیگنال ارسالی توسط ماهوارههای BeiDou شبیهسازی میشود. در این راستا به بررسی سند کنترل - ICD - مربوط به BeiDou پرداخته میشود و اثراتی مانند داپلر و تاخیر بر روی سیگنال شبیهسازی اعمال میشود. همچنین با در نظر گرفتن اثر حرکت ماهوارهها شرایط لازم برای تشخیص داده شدن سیگنال توسط گیرندههای BeiDou و استفاده از آن فراهم میشود. در نهایت یک واسط گرافیکی برای شبیهسازی سیگنال BeiDou ارائه میشود.
-1 مقدمه
سیستم ناوبری ماهوارهای جهانی یا GNSS شامل مجموعهای از ماهوارهها هستند که به دور زمین میچرخند. این ماهوارهها به وسیلهی ارسال پیوستهی سیگنال، قابلیت دریافت بیدرنگ موقعیت سه بعدی، سرعت و زمان برای کاربران روی زمین را ایجاد میکنند. این قابلیت کاربردهای فراوانی دارد که میتوان حملونقل، هواشناسی و جلوگیری از بحران را نام برد. سیستم ناوبری BeiDou توسط کشور چین طراحی و در سال 2000 به بهرهبرداری رسید.
در حال حاضر BeiDou یکی از چهار سیستم ناوبری ماهوارهای مهم است. ارسال و دریافت پیامهای کوتاه از قابلیتهای منحصر به فرد این سیستم است. BeiDou دارای سه نوع ماهواره - از نظر محور چرخشی که در آن قرار میگیرند - است: GEO، IGSO و .MEO این سیستم به سرعت در حال گسترش است. هم اکنون BeiDou سرویس منطقهای ارائه میدهد و پیشبینی میشود تا قبل از 2020 به قابلیت عملیاتی کامل برسد .[5]
اجزای کلی یک سیستم ناوبری جهانی:
-1 بخش فضایی: این قسمت شامل منظومهی ماهواره است. نقشهای اصلی بخش فضایی، تولید و ارسال سیگنال فاز حامل و کد است. همچنین وظیفهی ذخیرهسازی و انتشار پیغام ناوبری که توسط بخش کنترل بارگذاری شده است به عهده بخش فضایی است. این ارسالها توسط ساعتهای اتمی بسیار دقیق انجام میشود .[5] یک منظومه ماهوارهای با تعداد کافی ماهواره میتواند تضمین کند یک کاربر در هر نقطهی زمین و در هر زمان برای تعیین موقعیت خود حداقل چهار ماهواره را در اختیار دارد .[5] منظومه فضایی BeiDou شامل 35 ماهواره است.
-2 بخش کنترل از روی زمین: این قسمت مسئولیت عملیاتی و کنترل GNSS را دارد. کارکردهای اصلی این بخش عبارت است از :[5]
- a کنترل و حفظ موقعیت و نحوه قرار گیری ماهوارهها
- b پیش بینی ephemeris و نحوه تغییر ساعت
- c نگه داشتن بازههای زمانی GNSS
- d به روز رسانی پیام ناوبری برای تمام ماهوارهها
-3 بخش کاربری: این بخش شامل دریافت کننده GNSS است. این قسمت برای دریافت سیگنال GNSS، تعیین شبه فاصله و حل معادلات ناوبری برای بدست آوردن مختصات و تعیین دقیق زمان در نظر گرفته شده است .[5] سیستم ناوبری BeiDou قرار است به یکی از مهمترین سیستمهای ناوبری جهانی مبدل شود و حتی ممکن است از GPS دقیقتر شود .[9] در نتیجه طراحی شبیهساز سیگنال BeiDou از اهمیت بالایی برخوردار است. از جمله کاربردهای مهم این شبیهساز، تست موقعیتیاب هایی که به سیستم BeiDou مجهز هستند.
ساختار ادامه مقاله به این صورت است که در بخش دوم مشخصات سیگنال ناوبری و پیام ناوبری بررسی شده است. در بخش سوم نحوه اعمال اثر داپلر و تاخیر بر روی سیگنال ماهواره و نحوهی پیدا کردن فاز کد و حامل، در بخش چهارم نحوه پیادهسازی، توضیح کلی کد و نحوه پیدا کردن اطلاعات ephemeris ماهوارهها ارائه شده است. در نهایت، در بخش ششم نتایج کار شامل درستی اعمال اطلاعات ephemeris و درستی تولید سیگنال بررسی شده است.
-2 سیگنال ناوبری
1؛-2 مشخصات سیگنال ناوبری
سیستم BeiDou از دسترسی چندگانهی CDMA استفاده میکند. سیگنالهای ارسالی از ماهوارههای BeiDou در سه فرکانس با نامهای B1، B2 و B3 فرستاده میشوند. این باندهای فرکانسی در شکل - 1 - مشاهده میشود. همچین مدلاسیون و پهنای باند این سیگنالها در جدول قابل مشاهده است. فرکانس B1 مربوط به BeiDou به فرکانس L1 مربوط به GPS نزدیک است. همچنین فرکانس B2 مشابه فرکاتس E5b مربوط به Galileo است.
هیچ گونه همپوشانی بین فرکانس BDS و فرکانس GPS وجود ندارد. طبق ICD اخیر مربوط به BeiDou تنها B1 و B2 سیگنالهای با سرویس همگانی هستند .[4] سیگنال BeiDou شامل دو نوع پیام ناوبری D1 و D2 است. این پیامها بر روی سه فرکانس حامل معرفی شده مدوله میشوند. اما علاوه بر پیام ناوبری یک کد ranging نیز بر روی سیگنال با توجه به شماره ماهواره مدوله میشود. در شکل - 2 - نحوه مدوله کردن سیگنال D1 و D2 را بر روی فرکانس حامل B1 نشان میدهد. همانطور که مشاهده میشود پیام D1 میبایست در کدی با طول 20 بیت نیز ضرب شود.
2؛-2 پیام ناوبری
پیام ناوبری به فرم دو سیگنال D1 و D2 با نرخ و ساختار متفاوت ایجاد میشوند. پیام ناوبری D1 بر روی سیگنال ماهوارههای MEO/IGSO مدوله میشود در حالی که سیگنال D2 توسط ماهوارههای GEO فرستاده میشود. ساختار بیت این دو پیام با هم متفاوت است. نرخ پیام ناوبری D1 که با کد ثانویه 1 کیلوبیت بر ثانیه مدوله میشود برابر 50 بیت بر ثانیه است.
پیام ناوبری D1 شامل اطلاعات اساسی ناوبری - اطلاعات اساسی ناوبری ماهوارههای ارسالکننده یا همان ephemeris، اطلاعات almanac برای همه ماهوارهها همچنین جابجایی زمانی از دیگر سیستمها - . این درحالی است که D2 علاوه بر اطلاعات موجود در D1 شامل تصحیح شبه فاصله و دادههای تئوری یونوسفر برای کابران منطقهای است.
همچنین D2 با نرخ 500 بیت بر ثانیه ارسال میشود. اگرچه نرخ دادهی D2 ده برابر نرخ دادهی D1 است، دادههای ephemeris مربوط به D2 در 10دنبالهای صفحهای تقسیم میشود. در نتیجه دورهی تکرار مانند D1 برابر 30 ثانیه میشود. بنابراین دادههای ephemeris پایهای که توسط MEO/IGSO و GEO فرستاده میشوند دارای نرخ دادهی مشابه با GPS هستند .[7]
1؛4؛-2 ساختار پیام ناوبری D1
پیام ناوبری D1 دارای سوپرفریم، فریم و زیرفریم است. هر سوپرفریم 36000 بیت است و 12 دقیقه طول زمانی دارد. هر سوپرفریم دارای 24 فریم است. هر فریم 1500 بیت دارد و 30 ثانیه طول میکشد. هر فریم شامل 5 زیرفریم است. هر زیر فریم 300 بیت دارد و 6 ثانیه طول میکشد. هر زیرفریم 10 کلمه دارد. هر کلمه 30 بیت دارد و طول زمانی 0,6 ثانیهای دارد. هر کلمه شامل شامل دادهی ناوبری و بیتهای parity است.
در اولین کلمهی زیرفریم 15 بیت اول کد نشدهاند ولی 11 بیت بعدی توسط 1 - BCH،11، - 15 برای تصحیح خطا کد شده اند. در نتیجه در این کلمه 26 بیت اطلاعات و 11 بیت parity وجود دارد. برای 9 کلمهی دیگر هم BCH برای کنترل خطا و هم interleaving اعمال شده است. در نتیجه هر کلمهی 30 بیتی شامل 2 بلوک کد BCH است که در آن 22 بیت اطلاعاتی وجود دارد.
2؛4؛-2 ساختار پیام ناوبری D2
پیام ناوبری D2 به صورت یک سوپرفریم، فریم و زیرفریم ساختاربندی شده است. هر سوپرفریم دارای 18000 بیت است که به 6 دقیقه طول میکشد و هر سوپر شامل 120 فریم 3 ثانیهای است که 1500 بیت داده دارد. همچنین هر فریم شامل 5 زیرفریم است که 300 بیت هستند و 0,6 ثانیه طول میکشند. هر کدام از این زیرفریم ها نیز به 10 کلمهی 30 بیتی تقسیم میشوند.
هر کلمه شامل پیام ناوبری و بیتهای parity است. 15 بیت اول اولین کلمه کد نشده هستند و 11 بیت بعدی توسط 1 - BCH،11، - 15 کد شده اند، در نتیجه چهار بیت parity در کلمه اول هر زیر فریم موجود است. برای کلمههای بعدی هر زیرفریم 22 بیت آنها توسط 1 - BCH،11، - 15 و interleaving - مانند آنچه برای پیام D1 انجام شد - کد میشوند.
3؛4؛-2 محتوای پیام ناوبری D1
اطلاعات اصلی پیام ناوبری در D1 در حقیقت اطلاعات پایهای ناوبری هستند که در شکل - 4 - مشاهده میگردد.
شکل : - 4 - محتوای پیام D1
این اطلاعات شامل دادههای اساسی ناوبری مخابره شده توسط ماهوارهها است برخی از این اطلاعات شامل ثانیهی هفته، شماره هفته، نشانهی دقت برد کاربر، نمایهی سلامت ماهواره، پارامترهای تأخیر ناشی از یونوسفر، اطلاعات ephemeris و سن آنها و دیفرانسیل تاخیر گروهی دستگاه است. 12 دقیقه طول میکشد کل پیام جهت یابی ارسال شود.
اطلاعات اساسی ناوبری در زیرفریمهای 1 تا 3 قرار دارند. اطلاعات زیرفریمهای 4و5 توسط 24 فریم در 24 صفحه ارسال می شوند. زیرفریم 4 از صفحههای 1 تا 24 و زیرفریم 5 از صفحهی 1 تا 10 برای مخابرهی almanac و time offset ناشی از سیستمهای دیگر استفاده میکند. زیرفریم 5 از صفحههای 11 تا 24 هم کنار گذاشته شدهاند.
4؛4؛-2 ساختار پیام ناوبری D2
اطلاعات در فرمت D2 شامل اطلاعات پایهای ناوبری ماهوارههای ارسال کننده، almanac، جابجایی زمان از بقیه سیستمها و اطلاعات تکمیلی دیگری است که میتوان در شکل - 5 - مشاهده نمود. زیر فریم 5 در 120 صفحه فرستاده میشود، اما زیر فریم 1 که شامل اطلاعات پایهای ناوبری است ، هر 10 صفحه فرستاده میشوند. همچنین برای زیرفریمهای 2، 3 و 4 این ارسال هر 6 صفحه تکرار میشود.
-3 تولید سیگنال ناوبری
گیرندههای مبتنی بر BeiDou اثر داپلر ناشی از حرکت ماهواره و تأخیر ناشی از فاصله ماهواره تا زمین را نیز در موقعیتیابی خود وارد میکنند.
