GALILEO

1. GALILEO Charakterystyka Sygnału Marta Krywanis

2. Zagadnienia:– Założone częstotliwości– Przegląd sygnałów systemu• Sygnały na L1• Sygnały na E6• Sygnały na E5- Modulacje sygnałów i ich charakterystyka- Budowa depeszy nawigacyjnej

3. Transmisja sygnałów Galileo wymaga stabilnego wzorca częstotliwości. Wykorzystywany on będzie do pomiarów pseudoodległości, dlatego też cechować go powinna stabilność. Do osiągnięcia częstotliwości wzorcowej posłuży blok nawigacyjny satelity. Rubidowe wzorce czasowe Pasywne masery wodorowe Układ kontroli wzorców czasowych (CMCU) Antena nawigacyjna Układ generatora i modulatora częstotliwości (FGMU) Wzmacniacz Multiplekser (OMUX) Układ generujący sygnał nawigacyjny (NSGU)

4. Urządzeniem, które ma za zadanie zintegrować cztery wzorce czasowe w jeden podsystem to CMCU (Clock Monitoring and Control Unit). Ma on za zadanie wytworzyć i przesłać sygnał o częstotliwości 10,23 MHz z wzorców do dalszych komponentów bloku nawigacyjnego. Kluczowym elementem bloku jest NSGU- Navigation Signal Generation Unit. Generowane przez układ cyfrowy sygnały są przekazywane następnie do układu modulatora i generatora częstotliwości FGMU (Frequency Generator/Modulator Unit). , który następnie przekazuje go do wzmacniacza. Zadaniem wzmacniacza jest z kolei generacja sygnałów nośnych, w tym wypadku czterech na dwóch pasmach częstotliwości

5. Dwa spośród czterech zastosowanych wzorców czasowych to pasywne masery wodorowe. Jest to urządzenie niezwykle stabilne dzięki któremu, satelita będzie mógł pracować około ośmiu godzin bez poprawek nadawanych ze stacji. Pomocniczą rolę pełnią dwa rubidowe wzorce czasowe, których stabilność jest mniejsza. Dla przykładu:

6. Sygnały Galileo 4 sygnały w zakresie 1164-1215 MHz (dla E5a i E5b) 3 sygnały w zakresie 1215-1300 MHz (dla E6) 3 sygnały w zakresie 1559-1592 MHz (dla E2-L1-E1)

7. Przy tworzeniu sygnału bardzo ważną rolę odgrywa CDMA, czyli dostęp wielokrotny z podziałem kodowym. Wszystkie satelity transmitują na tej samej częstotliwości, oznacza to, że sygnał Galileo, np. L1 jest wysyłany na częstotliwości 1575,42 MHz z każdej satelity. By pozwolić odbiornikowi na rozróżnienie, od której satelity dany sygnał pochodzi i by umożliwić mu pomiar czasu biegu sygnału od satelity do odbiornika, na dany sygnał nakładany jest kod. Kod jest różny dla każdego satelity i dzięki niemu będzie można zidentyfikować satelitę. Spośród sygnałów systemu Galileo wyróżnić będzie można sześć sygnałów pilotowych i cztery sygnały danych. Istnieje zasadnicza różnica między sygnałami zawierającymi dane nawigacyjne (data channels) i sygnałami nie zawierającymi danych (pilot channels). Są one przesunięte w fazie o 90 stopni, co pozwala odbiornikowi na ich oddzielenie.

8. Transmisja sygnału przez satelitę

9. Sygnały nawigacyjne na E2-L1-E1: Dwa sygnały nawigacyjne transmitowane będą w trzech kanałach (A,B i C) L1: - L1F: sygnał otwartego dostępu, zawierający dane nawigacyjne i dane integralne. - L1P: sygnał ograniczonego dostępu.

10. Sygnały nawigacyjne na E6: Dwa sygnały nawigacyjne są transmitowane w trzech kanałach w paśmie E6: - E6C: sygnał komercyjnego dostępu - E6P: sygnał ograniczonego dostępu Charakterystyka sygnału została przedstawiona w poniższej tabelce:

11. Sygnały nawigacyjne na E5: Dwa sygnały nawigacyjne są transmitowane w czterech kanałach pasma E5: - E5a: sygnał otwartego dostępu, zawierający podstawowe dane dla nawigacji i wyznaczeń czasu - E5b: sygnał otwarty, zawierający dane nawigacyjne i integrujące. Charakterystyka sygnału została przedstawiona w poniższej tabelce:

12. Modulacja Sygnału Modulacja jest procesem, polegającym na zmianie jednego z parametrów fali nośnej, zgodnie ze zmianami sygnału informacyjnego (nakładaniu informacji na falę nośną).

13. Pierwszy projekt sygnału Galileo zrodził się w 2001 roku w dwóch dokumentach: ‘The Galileo Frequency Structure and Signal Design’ oraz ‘Status of Galileo Frequency and Signal Design’. Oba te dokumenty stały się bazowymi do tworzenia nowych modulacji sygnału.

14. Chcąc poruszyć zagadnienie sygnału systemu Galileo, należy prześledzić następujące zagadnienia: • Modulacja BOC, MBOC • Modulacja BPSK, QPSK • Multiplexing CASM, AltBOC

15. CASM- Coherent Adaptive Subcarrier Modulation. CASM służy transmisji sygnału Galileo. Polega na kombinacji trzech różnych kanałów sygnału systemu, czego efektem jest powstanie znormalizowanego sygnału nawigacyjnego w paśmie podstawowym. eL1-A(t), eL1-B(t), eL1-C(t)- binarnie zmodulowany komponent sygnału nawigacyjnego, zawierający kod, częstotliwość nośną i dane nawigacyjne CL1-B(t), CL1-C(t) - Binarny kod nośny scL1-B(t), scL1-C(t)- Binarny sygnał nośny DL1-B(t)- Binarny sygnał wiadomości nawigacyjnej sL1(t)- znormalizowany sygnał w paśmie podstawowym (bez przesunięcia częstotliwości), występuje tylko jeden kanał komunikacyjny

16. BPSK BPSK- Bi- fazowe Przesunięcie Kluczowe: Modulacja ta polega na przesunięciu fazy nośnej o 180˚ w razie pojawienia się zmiany stanu ciągu informacyjnego. Przez zmianę taką rozumie się przejście ze stanu ‘1’ do ‘-1’ lub odwrotnie.

17. Ogólnie sygnał PSK możemy zapisać jako: amplituda sygnału prędkość kątowa sygnału nośnego Dla BPSK sygnał modulujący x(t) przyjmuje tylko dwie wartości -1 i 1 reprezentujące odpowiednio symbole binarne 0 i 1. Stąd otrzymujemy dla x(t)=1 dla 1 dla x(t)=-1 dla 0

18. Aby obydwa sygnały maksymalnie różniły się od siebie (po to, by zminimalizować prawdopodobieństwo popełnienia błędu przy odbiorze wiadomości) przyjmuje się dewiację fazy równą

20. BOC(10,5) BOCcos(15,2.5) BOC(1,1) Modulacja BOC Standardowa modulacja BOC jest kwadratem modulacji sygnału nośnego na sygnał BPSK: Modulacja BOC o zadanej częstotliwości nośnej i chipowaniu zapisywana jest w następujący sposób: BOC (fs ,fc), gdzie fs to wielokrotność 1,023 MHz, a rata chipowania fc to wielokrotność 1,023 Mcps

21. Modulacja sygnału L1 • Sygnał otwarty L1F wymaga relatywnie małych szerokości pasma, z kolei sygnał ograniczonego dostępu L1P ma wyższe wymagania: większa szerokość pasma i spektralne oddzielenie od sygnałów otwartych. • Sygnał L1 jest okupowany również przez system GPS ( na tą częstotliwość nałożono już kod systemu) i GLONASS dlatego też chcąc uniknąć całkowitego ‘zapchania’ sygnału należy dążyć do kompatybilności i interoperacyjności z systemem GPS. Rozwiązanie to powinno: • zapewnić korzystne wykorzystanie • spektrum, • zapewnić tą samą częstotliwość, • którą ma GPS przy nadawaniu C/A; • zmniejszyć, pokrycie z innymi • sygnałami.

22. MBOC MBOC ( Multiplex Binary Offset Carrier) jest rezultatem połączenia BOC(1,1) i BOC(5,1). Jego idea zrodziła się z potrzeby modulacji, która dałaby sygnał dostępny Serwisowi Otwartemu, jak również spełniający oczekiwania sektora bezpieczeństwa. Ostatecznie eksperci z USA i Europy zoptymalizowali modulację MBOC (6,1) dla L1CS i E1 OS sygnału Galileo.

24. L1 Technika składania sygnału Jak już zostało napisane wcześniej L1 korzystał będzie z trzech kanałów, które ulegać będą złożeniu przy zastosowaniu techniki CASM:

25. Modulacja sygnału E6 • Jeżeli chodzi o modulację E6, to nie stanowi ona żadnych przeszkód jeśli chodzi o operacyjność i kompatybilność, ponieważ pasmo to nie jest używane przez system GPS i GLONASS. • Wykorzystuje się następujące • modulacje: • BPSK(5) dla E6C • sygnału komercyjnego • BOC cos(10,5) dla • E6P sygnału ograniczonego • dostępu.

26. E6 technika składania sygnału Jeśli chodzi o technikę złożenia sygnału, znów pojawia się tu CASM. Występują tu również trzy kanały transmisji:

27. Modulacja E5: • pasmo sygnału E5 jest bardzo duże, a co za tym idzie wykorzystanie go może okazać się bardzo szerokie; • pasmo E5 składa się z dwóch przystających pasm: E5a i E5b. • E5b koresponduje z pasmem L5 systemu GPS; • sygnał L5 systemu GPS jest • wynikiem modulacji BPSK z • szybkością modulacji 10 Mcps

28. E5 technika złożenia sygnału Jeżeli chodzi o złożenia sygnału, ulegną mu cztery kanały:

29. Istnieją dwie możliwości złożenia przystających do siebie sygnałów E5a i E5b (gdzie każdy zawiera kanał danych i kanał pilotażowy): • Zastosowanie dwóch różnych sygnałów QPSK: • Modulacja QPSK (Quadrature Phase Shift Keying). • 2. Zastosowanie metody AltBOC przy zwielokrotnianiu • Sygnału.

30. Zastosowanie dwóch różnych sygnałów QPSK:Modulacja QPSK (Quadrature Phase Shift Keying).Polega ona na kodowaniu dwubitowym na 4 ortogonalnych przesunięciach fazy. Np. Wartości fazy: π/4, 3*π/4, 5*π/4, 7*π/4

31. Sygnał opisujemy następująco: i=1 i=2 i=3 i=4 φ1(t) = Acos(ω0t) φ2(t) = Asin(ω0t)

33. 2. Zastosowanie metody AltBOC przy złożeniu sygnału: Modulacja Alt BOC jest zmodyfikowaną wersją binarnego offsetu fali z częstotliwością podstawową 10,23 MHz i częstotliwością nośną 15,345 MHz. AltBOC (15,10) to szerokopasmowy sygnał, transmitowany na częstotliwości 1191,795 MHz. Proces kombinacji dwóch sygnałów: E5a i E5b następuje w stałej obwiedni, a następnie wstrzykiwany jest do bardzo szerokiego kanału transmisji.

34. Charakterystyka kodów Galileo:

35. Większość kodów jest dość długa, a rodziny tych kodów cięzkie do odnalezienia. Kody dłuższe niż 16363 chipa są konstruowane za pomocą specjalnych kodów wiążących (tiered codes). Kody takie składają się z sukcesywnego powtarzania podstawowego zmodulowanego kodu przez chipy drugiego kodu. Kody podstawowe mogą być użyte do szybkiego pochłaniania, natomiast kompletne kody do śledzenia. Wszystkie te sygnały są doskonale zsynchronizowane

36. Kody Gold’a są przykładem kodów podstawowych. Generowane są techniką LSFR (Linear Feedback Shift Register- Rejestr przesuwający z liniowym sprzężeniem zwrotnym) Kody Golde’a stanowią sumę modulo 2 dwóch kodów pseudoprzypadkowych o maksymalnej długości, choć same tej długości nie posiadają. Ich szczególnymi cechami, w porównaniu z binarnymi sekwencjami pseudoprzypadkowymi, są: - powstają z sekwencji binarnych o maksymalnej długości, lecz same takimi nie są; - charakteryzują się łatwością generowania w pętli sprzężenia zwrotnego; - znaczna liczba kombinacji kodowych umożliwia wykorzystanie ich w telekomunikacji

37. • LFSR posiada rejestr przesuwający o długości n bitów, który na początku zawiera losowe bity. • Niektóre bity rejestru są poddawane operacji xor i wynik zastępuje najstarszy bit rejestru, jednocześnie pozostałe bity przesuwane są o jedną pozycję w prawo i najmłodszy bit staje się kolejnym bitem generowanego ciągu.

39. Większość kodów drugiego rzędu jest generowana losowo: Ciągi pseudolosowe to ciągi, które spełniają statystyczne własności ciągów losowych, ale generowane są w sposób deterministyczny: generator startujący z takiego samego stanu początkowego generuje taki sam ciąg bitów. Ciągi takie generuje się za pomocą rejestrów przesuwnych ze sprzężeniem zwrotnym. Jak nie trudno zauważyć ciągi pseudoprzypadkowe powtarzają się. Stąd wśród kodów cyklicznych generowanych przez rejestry przesuwne olbrzymie znaczenie mają kody o najdłuższej sekwencji (kody Gold’a).

40. Depesza Nawigacyjna Depesza nawigacyjna systemu Galileo stanowi element sygnałowy systemu. Przez to pojęcie należy rozumieć informację transmitowaną przez satelity Galileo, która po przetworzeniu w odbiorniku umożliwia wyznaczenie pozycji i czasu, jak również dostarcza szeregu dodatkowych informacji, niezbędnych w prawidłowym funkcjonowaniu systemu. Stanowi ją zestaw danych, wartości lub znaków przekazywanych w formie binarnej, które po demodulacji podlegają przetworzeniu przez odbiornik użytkownika.

41. Informacja nawigacyjna będzie wysyłana w zakresie fal radiowych wysokich częstotliwości. Przekazywana będzie w ramkach, z których każda będzie miała 150 bitów. W zależności od sygnału zastosowane będą różne prędkości przesyłu danych., jednak jak przyjęto, czas transmisji pojedynczego sygnału nie powinien przekraczać jednej sekundy. Na każdą ramkę składać się będzie siedem podramek

42. SYNC- podramka zsynchronizująca • czas trwania 0,04 s; • długość 6 bitów; • używana do określenia granic ramki I bitów przesłanych danych; • raz zidentyfikowana, potwierdza, że synchronizacja nie została przerwana. • SNF ( Satellite Navigation Frame)- wartość indeksu satelitarnej ramki nawigacyjnej • czas trwania 0,02 s; • długość 3 bity; • skojarzona z każdą ramką danych; • służy do wyróżnienia przesyłanej informacji nawigacyjnej • Frame ID- podramka identyfikująca • czas trwania 0,04 s; • długość 6 bitów; • określa typ wiadomości przesyłanych w następnej podramce; • umozliwia przesłanie danych w dowolnej kolejności;

43. Integrity- integralność • zawiera dane uruchamiające alarm w sytuacji, gdy sygnały docierające z satelitów nie spełniają określonych wymogów, wówczas odbiornik użytkownika sam może zablokować sygnały pochodzące od satelitów, których ten alarm dotyczy. • wymogiem jest tutaj jak najmniejsze opóźnienie w odbiorze alarmu • Checksum (suma kontrolna) • podramka służąca do zweryfikowania poprawności nadawanej wiadomości; • długość 27 bitów. • Tail Bits- podramka zamykająca; • - czas trwania 0,04 s; • - sekwencja siedmiu zer.

44. Depesza nawigacyjna składać się będzie z dwóch zasadniczych części. Pierwszą stanowić będą dane efemerydalne, a drugą almanach. Efemerydy każdego satelity systemu składać się będą z 17 parametrów: - 6 elementów orbity Keplera - 6 współczynników harmonicznych - kąt inklinacji orbity - rzędu poprawek LAN (Longitude of the Ascending Node) węzła wstępującego - średnie poprawki ruchu - referencyjny czas efemeryd - dane na moment rozpoczęcia transmisji depeszy IODE , liczące 8 bitów lub parametr IOD (Issue Of Data) liczący 6 bitów i wyżej opisaną ramkę SNF.

45. Almanach systemu składał się będzie z danych o konfiguracji satelitów, poprawki dla pokładowego wzorca czasowego (16 bitów), poprawki służącej odniesieniu do czasu UTC (104 bity) i korelacji z systemem GPS (72 bity). Dane opisujące konfigurację satelitów to: - 12 parametrów opisujących każdą z trzech orbit systemu, po cztery dla każdej: pierwiatek kwadratowy dużej półosi elipsy błędów, promień mimośrodu, kąt inklinacji oraz długość geograficzna węzła wstępującego, łącznie 240 bitów; - 3 parametry zawierające argumenty perygeum pierwszego satelity dla każdej orbity; łącznie 72 bity; - 30 parametrów zawierających średnią anomalię dla każdego z 30 satelitów, łącznie 720 bitów.

47. Jak wiemy, budowa systemu Galileo wciąż się opóźnia. Wynika to z wielu przyczyn. Jednakże Galileo poszczycić się może dwoma satelitami krążącymi po jego orbitach. Pierwszy z nich wystrzelony, 22 lutego 2006 roku Giove- A, wkrótce będzie miał swoje trzecie urodziny, drugi z nich Giove- B wyniesiony został na orbitę w zeszłym roku, dnia 27 kwietnia. Satelity transmitują już sygnały.

48. Giove-A Podsumowując trzyletnią pracę Giove A możemy zestawić następujące dane: - operacyjność L1-E5 podczas 3 lat wynosi 65,3% - operacyjnosć L1-E6 wynosi 24.3 % - operacyjność innych to 2.4% - okres bez transmisji żadnego sygnału to zaledwie 8% w skali 3 lat.

50. Giove-B Wielkim sukcesem okazało się wystrzelenie Giove-B, który jako pierwszy zaczął transmitować GPS-Galileo sygnały, używając do tego zoptymalizowanej MBOC- Multiplexed Binary Offset Carrier. 7 Maja udało się odebrać sygnały wysłane z Giove-B. Jakość sygnału nadawanego z satelity będzie miała wielki wpływ na dokładność pozycjonowania. Obecnie sygnał jest poddany analizie. Plan częstotliwości i sygnałów Galileo został sfinalizowany, pozostaje już tylko czekać na jego realizację i ostatecznie wdrożyć teorię w praktykę.