Четырехсистемный приемник: GPS, ГЛОНАСС, Галилео, Бэйдоу

Четырехсистемный приемник: GPS, ГЛОНАСС, Галилео, Бэйдоу

Мультисистемный ГНСС-приемник впервые стал широко доступен в 2010-2011 годах, но на тот момент он работал только с двумя системами – GPS и ГЛОНАСС. Несмотря на то, что уже тогда приемники поддерживали сигналы Галилео, работать с системой они не могли по причине отсутствия пригодных к эксплуатации спутников. На тот момент Бэйдоу представляла из себя только название, так как без имеющихся характеристик (интерфейсного контрольного документа или ICD) производство приемников с поддержкой этой системы было невозможным. Однако, время на разработку мультисистемных приемников удалось сократить: документ ICD для Галилео в течение нескольких лет уже был доступен, а коды Бэйдоу подверглись реинжинирингу в Стэнфордском университете и к концу 2011 года были подтверждены так называемым тестовым ICD, что позволило начать тестирование сигналов до выхода характеристик сообщений.

  В последние недели 2012 года ГНСС-системы прошли два этапа скоростного развития. В начале декабря спутники Галилео IOV3 и IOV4 начали передачу сигналов, таким образом, количество спутников в системе достигло четырех, что обеспечивало возможность позиционирования около двух часов в день. В конце декабря китайцы выпустили ICD для Бэйдоу, позволив разработчикам сделать финальные шаги по декодированию сообщений и расчету эфемерид и добавить их в системы, отслеживающие сигналы Бэйдоу в течение многих месяцев. Приемник Teseo-2 от компании STMicroelectronics существовал в течение нескольких лет и дожидался появления спутников Галилео; а вот для работы с Бэйдоу ему требовалась аппаратная доработка в виде дополнительного радиочастотного препроцессора. Кроме того, поддерживая все четыре группы спутников, он не работал со спутниками Бэйдоу и GPS/Галилео одновременно.   Приемник появился в конце 2013 года, вернув к жизни оптимальный одночиповый форм-фактор: радиочастотная часть, объединенная с цифровым чипом и флэш-памятью под одним корпусом, позволяющая одновременно использовать сигналы Бэйдоу и GPS/Галилео.   В этой статье описывается первое отслеживание четырех спутников Галилео, которое состоялось 4 декабря 2012 года, первое позиционирование с помощью Галилео и первое позиционирование с помощью Бэйдоу в январе 2013 года. Также в статье будут рассмотрены статичные и дорожные тесты каждой группы спутников по отдельности и совместно с другими в виде единого геопозиционного решения. В дорожных тестах США и Европы будут использоваться GPS/ГЛОНАСС/Галилео, а в Китае - GPS/Галилео/Бэйдоу. Результаты будут рассмотрены с технической точки зрения. Кроме того, будет описано будущее рынка мультисистемного оборудования.   В период с 2010 по 2020 год ГЛОНАСС и Бэйдоу (1602 МГц FDMA и 1561 МГц соответственно) будут требовать наличия дополнительного чипа в радиочастотной части и цифровом оборудовании, а также будут являться причиной дополнительной уязвимости к помехам из-за 50 МГц диапазона препроцессора. Кроме того, дополнительный чип повышает уровень энергопотребления.   После 2020 года в системе ГЛОНАСС заработает сигнал L1OC, формат CDMA заработает на частотах GPS/Галилео, а Бэйдоу будет доступна во всем мире и у нее появится сигнал B3, работающий на частоте 1575 МГц. К тому времени все четыре системы будут работать в одном диапазоне, а нам будет доступно более 100 спутников. В ясную погоду пользователь сможет видеть более 30, а иногда и 40 спутников одновременно.   Помимо повышения производительности в городских условиях, это позволит значительно упростить приемник. Реальный сигнальный тракт будет заметно упрощен: всего один тракт при радиочастотной (аналоговой) и немодулированной (цифровой) обработке, включая все режекторные фильтры, деротацию и прочее. Это также позволит значительно сократить энергопотребление.   Захочет ли рынок воспользоваться преимуществами низкого энергопотребления и малой площади чипа, или же он предпочтет перейти на двухдиапазонную основу с использованием сигналов в L-диапазоне, поначалу L5/E5, а возможно и L2/L3/L6? Сейчас это видится так: в бытовых приемниках будут использоваться только сигналы L5/E5, но в чипы будут встроены дополнительные блоки для того, чтобы их можно было использовать и в профессиональных приемниках.   В данной статье представлены технические результаты полевых испытаний четырехсистемного приемника, а также взгляд на развитие приемников в свете многочастотности и растущего уровня унификации сигналов в этом десятилетии.   История   Поддержка Галилео в GPS/GNSS приемниках ST появилась в период с 2006 по 2008 год в рамках европейского проекта GR-PosTer. Массовое производство началось в 2009 году (Cartesio-plus), однако в реальной жизни это были простые GPS-приемники ввиду того, что спутники Галилео отсутствовали.   Изменения в характеристиках Галилео, которые способствовали внесению изменений в оборудование, представлены на Рисунке 1. Модуляция по методу бинарной смещенной несущей (BOC 1,1) растягивает диапазон частот, воздействуя на радиочастотную часть, а BOC и коды памяти воздействуют на микросхему основной полосы частот в зоне кодогенератора.   Рисунок 1. Изменения для Галилео   Вслед за этим началось усиление ГЛОНАСС, подразумевавшее необходимость появления приемников с ее поддержкой до Галилео. Однако, иная центральная частота (1602 МГц) и многоканальная природа FDMA требовали внесения большего количества серьезных изменений в оборудование. Как показано оранжевым цветом на Рисунке 2, появился дополнительный преобразователь, а также второй тракт с промежуточной частотой и АЦП.   Рисунок 2. Изменения радиочастотной части для ГЛОНАСС в Teseo-2   Рисунок 3. Изменения основной полосы частот для ГЛОНАСС в Teseo-2 и Teseo-3   В результате изменений основной полосы частот появился второй канал препроцессинга, а все принимающие каналы и трекинг-каналы были настроены на гибкое переключение между двумя входными каналами.   Teseo-2 с поддержкой GPS/ГЛОНАСС появился в 2010 году и продемонстрировал преимущество такой ГНСС-системы в городской зоне, которое можно увидеть на схеме ослабления точности (DOP) в центральном Лондоне, представленной на Рисунке 4. Приемник с поддержкой только системы GPS (показан красным цветом) демонстрировал частый выход коэффициента DOP за допустимые пределы, что приводило к понижению точности или даже к прерывистому определению местоположения. В отличие от него, у приемника с поддержкой GPS/ГЛОНАСС (показан синим цветом) коэффициент DOP не превышал 1, единожды достигнув максимального значения 1,4, тем самым продемонстрировав стопроцентную доступность. Отслеживание 16 спутников, даже если многие из них видны на отраженной траектории, позволяет снизить искажение данных и сохранить непрерывное и точное позиционирование.   Рисунок 4. Преимущества ГНСС-приемника с поддержкой GPS/ГЛОНАСС по уровню DOP и точности   Бэйдоу   Как и у Галилео, у Бэйдоу было несколько этапов развития. На первом этапе для системы не был представлен документ ICD, а запуск осуществлялся на демонстрационной архитектуре с двумя радиочастотными частями, как это показано на Рисунке 5. На следующем этапе оборудование осталось неизменным, но появился тестовый ICD, потому все спутники стали доступны, но осуществлять позиционирование было нельзя. На третьем этапе позиционирование стало возможным, благодаря появлению полноценного ICD в январе 2013 год (Рисунок 6). Кроме того была реализована поддержка системы на реальном чипе Teseo-3 в сентябре 2013 года (Рисунок 7).   Рисунок 5. Демонстрационная архитектура Teseo-2 с двумя радиочастотными частями   Рисунок 6. Результаты позиционирования Бэйдоу   Рисунок 7. Макетная плата Teseo-3   Teseo-3 оснащен чиповой радиочастотной частью с поддержкой GPS, Галилео, ГЛОНАСС и Бэйдоу, а потому внешняя радиочастотная часть не требуется.   Пустое зеленое пространство вокруг чипа Teseo-3 и четыре крепежных отверстия предназначены для крепления разъема, удерживающего чип во время тестирования, а сам чип припаян к плате. На Рисунке 8A представлен процесс отслеживания макетной платой восьми спутников Бэйдоу, видимых из Тайваня.   Однако, чип проектировался не для того, чтобы работать только с одной группой спутников; он предназначен для работы со всеми спутниками, видимыми в небе. На Рисунке 8b показан тест с одновременным использованием спутников GPS и Бэйдоу.   Рисунок 8A. Бэйдоу   Рисунок 8b. GPS + Бэйдоу   Мобильная демонстрация на Teseo-3 с одновременным использованием GPS + Бэйдоу представлена на Рисунке 9, где показан дорожный тест в Тайбэе. Спутники (SV) до значения 32 – это спутники GPS, выше значения 140 – спутники Бэйдоу: всего используется 13 спутников, при этом многие из них находятся вне линии прямой видимости.   Рисунок 9. Дорожный трек GPS + Бэйдоу в Тайбэе   Добавление в прибор поддержки сигналов Бэйдоу на частоте 1561 МГц означало добавление еще одного тракта с промежуточной частотой на чиповый радиомодуль. После первого преобразователя GPS-сигнал находится на 4 МГц, ГЛОНАСС – на 30 МГц, а Бэйдоу –на -10 МГц. В то время как линейка УПЧ, в целом, существует, выходной сигнал преобразователя и входной сигнал на первом фильтре являются комбинированными, а потому могут распознавать положительные (с верхней боковой полосы частот) и отрицательные (с нижней боковой полосы частот) частоты, а это, в свою очередь, обеспечивает качественное подавление помех от зеркального канала. В случае Бэйдоу входные данные фильтра настроены на нижнюю боковую полосу частот, то есть отрицательные частоты, а второй преобразователь не требуется; фильтр промежуточных частот настроен на 10 МГц. Новые блоки для Бэйдоу показаны на Рисунке 10 зеленым цветом. В основной полосе частот новые блоки отсутствуют, но кодогенератор был модифицирован для генерации кодов Бэйдоу. Предусмотрено две разновидности Teseo-3: первая предназначена для недорогих решений и сохранит два входных тракта, поэтому потребуется выбор между ГЛОНАСС и Бэйдоу. Будущая модель высокого класса может получить дополнительный входной обрабатывающий тракт, который позволит использовать Бэйдоу и ГЛОНАСС одновременно.   Рисунок 10. Изменения радиочастотной части Teseo-3 для Бэйдоу (зеленым цветом).   Снова Галилео   Если говорить о дальнейшем развитии, то второй этап Галилео включал в себя три шага. В декабре 2012 года впервые стало возможным отслеживание четырех спутников IOV одновременно, однако в тот момент определить с их помощью местоположение было нельзя, так как отсутствовали валидные орбитальные данные. В марте 2013 года удалось впервые продемонстрировать «живое» позиционирование. Процедура проводилась в центрах разработки программного обеспечения ESTEC и STMicro с использованием приемника Teseo-2.   Повторно позиционирование было продемонстрировано прессе 24 июля 2013 года в итальянском центре Фучино при помощи тестового пользовательского приемника (TUR), разработанного компанией Septentrio, и приемника ST, выполнявших синхронные тесты. На Рисунках 11 и 12 представлены результаты позиционирования для канала передачи данных и испытательного канала соответственно с независимым определением местоположения по методу LMS. В реальной жизни определение местоположения будет происходить при помощи фильтра Калмана и комбинированного канала E1-B/E1-C, использующих преимущества испытательного канала в отслеживании сигналов.   Рисунок 11. Позиционирование Галилео, E1-B   Рисунок 12. Позиционирование Галилео, E1-C   На этом этапе от системы Галилео не требуется хорошая точность. Четыре орбитальных спутника при хорошей видимости не дают хороший коэффициент DOP; еще не все наземные станции мониторинга приведены в работоспособное состояние и не могут быть правильно откалиброваны при таком малом количестве спутников. Кроме того, ионосферные коррекционные данные еще недоступны. Несмотря на эти проблемы, разность значений при известном фиксированном положении антенны допустима (см. Рисунок 13).   Рисунок 13. Разность значений Галилео, L1-B   Значение общего режима не имеет значения, представляя лишь ошибку синхронизации приемника. Индикатором точности может послужить рассредоточение спутников, имеющее важное значение для кодового приемника без полных ионосферных коррекционных данных, особенно в области 640 на шкале TOW, где точность составляет менее двух метров. Быстрое и заметное изменение зеленого значения в области t=400, вероятно, является многолучевым распространением, ведь антенна на крыше расположена не идеально по отношению к другим механизмам и оборудованию, которые также установлены на крыше.   QZSS и GPS-III/L1C   Teseo-2 поддерживал старый сигнал (C/A-код) системы QZSS на протяжении некоторого времени, а Teseo-3 получил поддержку сигнала GPS-III/L1-C в преддверии появления модернизированной системы GPS. Сигнал уже доступен на спутнике QZSS, что позволяет проводить тесты с реальными сигналами. Для оборудования основной полосы частот требовались значительные изменения, так как рассеянный сигнал является кодом Вейля, сложность генерации которого заключается в том, что он генерируется только один раз при выборе спутника, а затем в реальном времени воспроизводится из памяти. Кроме того, он находится в двух частотных областях. В Teseo-3 C/A-код используется для определения сдвига кода и частоты перед передачей коду Вейля для отслеживания.   Будущее   Сейчас приемники обладают невероятной гибкостью по отношению к кодогенераторам, ведь они поддерживают все известные сигналы и, скорее всего, все сигналы, которые будут появляться в будущем. Поэтому главным этапом в будущем может стать поддержка множественных частот с поддержкой на начальной стадии сигналов L5 и/или L2. При этом приемники должны сохранить достаточный уровень гибкости, обеспечивающий возможность рационального выбора со стороны потребителя. Для компании STMicroelectronics мелкосерийный выпуск чипов не представляется жизнеспособным, как и не представляется ей таковым разделение рынка по различным чипам. А потому основной широко распространенный чип должен поддерживать возможность выпуска мелкой серией.   Компания STMicroelectronics не может навязывать своим клиентам, приобретающим крупные партии продукции, высокое энергопотребление и увеличенную площадь чипа, ведь по этой причине они попросту могут отказаться от покупки.   Таким образом, решением вопроса многочастотности может стать радиочастотная часть с возможностью переключения диапазонов, верхний диапазон которой будет интегрирован в массовые одночиповые ГНСС-приемники. Клиенты, которым потребуется нижний диапазон, смогут подключить внешнюю радиочастотную часть через порт расширения на основной полосе частот, существующий для диагностических целей. Бэйдоу на T2 демонстрировалась именно так. При ином подходе малые объемы продаж двухдиапазонных или низкодиапазонных радиомодулей никогда не окупят затраты на свою разработку.   Заключение   Все четыре группы спутников были продемонстрированы с использованием «живых» спутниковых сигналов на Teseo-2 и Teseo-3. С появлением Teseo-3 у компании STMicroelectronics появилось долгосрочное одночиповое решение с оптимизированной обработкой сигналов Бэйдоу и аппаратной поддержкой сигнала GPS-3/L1C.   В будущем на конвейер встанут двухчастотные решения, которые позволят воспользоваться всеми преимуществами фазы несущей частоты и начать исследования в области PPP- и RTK-позиционирования для автомобильного рынка, в частности для разработки продвинутых систем помощи водителю.