Синхронизация системы S-12 с помощью спутниковых информационных технологий

Дисциплина: Автоматизация, Техника
Тип работы: Дипломная работа
Бесплатно: Антиплагиат
Объем: 83 страниц
В избранное:

РЕСПУБЛИКА КАЗАХСТАН

АЛМАТИНСКИЙ ИНСТИТУТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ

Кафедра

ДОПУЩЕН К ЗАЩИТЕ

Зав. кафедрой

(ученая степень, звание, Ф. И. О. )

<<>> 200___г.

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к дипломному проекту

Тема: Синхронизация системы S-12 с помощью спутниковых __

информационных технологий

Консультанты: Руководитель:

по экономической части:

(ученая степень, звание, Ф. И. О. ) (ученая степень, звание, Ф. И. О. )

«»200___г.

По безопасности жизнедеятельности:

Студент:

(ученая степень, звание, Ф. И. О. )

«»200___г.

По специальной части: ( Ф. И О. )

(ученая степень, звание, Ф. И. О. )

«»200___г. Группа:

По делопроизводству на Специальность:

государственном языке:

(ученая степень, звание, Ф. И. О. )

«»200___г.

Нормоконтролер:

(ученая степень, звание, Ф. И. О. )

«»200___г.

Рецензент:

(ученая степень, звание, Ф. И. О. )

«»200___г.

Алматы 2005г.

РЕСПУБЛИКА КАЗАХСТАН

АЛМАТИНСКИЙ ИНСТИТУТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ

Факультет

Специальность

Кафедра

ЗАДАНИЕ

На выполнение дипломного проекта (работы)

Студенту

(фамилия, имя, отчество)

Тема проекта (работы)

утверждена распоряжением по факультету № от «___»

Срок сдачи законченного проекта (работы) «»

Исходные данные по проекту (требуемые параметры результатов проектирования (исследования) и исходные данные объекта)

Перечень подлежащих разработке в дипломном проекте вопросов или краткое содержание дипломной работы:

Перечень графического материала ( с точным указанием обязательных

чертежей)

Рекомендуемая основная литература

Консультация по проекту (работе) с указанием относящихся к ним разделов проекта (работы)

Раздел

Консультант

Сроки

Подпись

Раздел:

Консультант:

Сроки:

Подпись:

Раздел:

Консультант:

Сроки:

Подпись:

Раздел:

Консультант:

Сроки:

Подпись:

Раздел:

Консультант:

Сроки:

Подпись:

Раздел:

Консультант:

Сроки:

Подпись:

Г Р А Ф И К

подготовки дипломного проекта (работы)

Наименование разделов, перечень разрабатываемых вопросов: Наименование разделов, перечень разрабатываемых вопросов

Срокипредоставлениянаучномуруководителю:

Сроки

предоставления

научному

руководителю

Примечание: Примечание

Наименование разделов, перечень разрабатываемых вопросов:

Срокипредоставлениянаучномуруководителю:

Примечание:

Наименование разделов, перечень разрабатываемых вопросов:

Срокипредоставлениянаучномуруководителю:

Примечание:

Дата выдачи задания

Заведующий кафедрой ( )

(подпись) ( Ф. И. О. )

Руководитель проекта ( )

( подпись) ( Ф. И. О. )

Задание принял к исполнению

Студент ( )

(подпись) ( Ф. И. О. )

АНДАТПА

Бұл диплом жобасында спутниктік радионавигациялық GPS жүйесінің көмегімен қалалық телефон станциясындағы жиілікті синхронизациялау мәселесі қаралады. Сонымен қатар жерсеріктік радионавигациялық GPS жүйесіне техникалық мінездеме және жұмыс істеу принципіне сипаттама беріледі. GPS жүйесіндегі әр түрлі факторлардың әсерінен болатын қателіктерге бұдан гөрі тереңірек талдау жасалады. Әдістемесі және есебі келтірілді. Жобада рубиди генераторымен жұмыс істейтін GPS қабылдағышына ерекше мән беріледі. Бұл жобада S-12 қалалық телефон станциясының синхронизациялаушы блогының құрылымдық сұлбасы және станцияның негізгі техникалық мінездемесі жасалады.

Жобаның экономикалық бөлімінде бұл жүйенің экономикалық тиімділігі туралы айтылады және қауіпсіздікті қамтамасыз ету мәселесі талданады.

АННОТАЦИЯ

В данном дипломном проекте рассматривается вопрос синхронизации частоты на городской телефонной станции с помощью спутниковой радионавигационной системы GPS. Приведено описание спутниковой радионавигационной системы GPS, ее технические характеристики и принцип действия. Рассчитывается вопрос погрешностей, вносимых различными факторами, на работу GPS. Приводится методика и делается сам расчет. В проекте уделено основное внимание приемнику GPS с рубидиевым генератором. В данном проекте предложена структурная схема синхронизирующего блока городской телефонной станции S-12, даны ее основные технические характеристики.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ. ……. .

ОБЗОР СПУТНИКОВЫХ РАДИОНАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ.

ОБОСНОВАНИЕ НЕОБХОДИМОСТИ СИНХРОНИЗАЦИИ ОБОРУДОВАНИЯ ТЕЛЕФОННОЙ СЕТИ СВЯЗИ10

1. 1 История развития спутниковой навигации. … 101. 2 Описание СРНС GPS и ГЛОНАСС. 111. 3 Расчет определения положения с помощью GPS. . 171. 4 Краткое описание и технические характеристики станции S - 12. . 181. 5 Обоснование необходимости синхронизации оборудования АТС…. 30

РАСЧЕТ ЧАСТОТНО-ВРЕМЕННОЙ КОРРЕКЦИИ ШКАЛ НАВИГАЦИОННОГО СПУТНИКА И АППАРАТУРЫ ПОТРЕБИТЕЛЯ. … 312. 1 Расчет передачи частотно-временной информации в СРНС……… . . . 312. 2 Обоснование выбранной схемы приемника и частотногогенератора “Time Source 3100” GPS. . 38
РАСЧЕТ ТОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЧВАП. 493. 1 Расчет погрешностей эфемеридного обеспечения. . . 493. 2 Расчет погрешностей распространения радиосигнала. …… 503. 3 Расчет инструментальных погрешностей. . 53
РАСЧЕТ ЭНЕРГЕТИКИ НАВИГАЦИОННОЙ РАДИОЛИНИИ…. . 554. 1 Требования, предъявляемые к навигационным радиолиниям……. . … 544. 2 Расчет навигационной радиолинии. 55
БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ. 615. 1 Анализ условий труда работников обслуживающих оборудование

системы синхронизации на станции S - 12. 61

5. 2 Расчет молниезащиты антенны приемника GPS 665. 3 Расчет сопротивления заземляющего устройства. . 68

БИЗНЕС-ПЛАН. 73

6. 1 Резюме проекта73

6. 2 Обоснование проекта. . 75

6. 3 Анализ проекта…. . . . 76

6. 4 Организационно- производственный план . . . 78

6. 5 Финансовый план80

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 87

ПЕРЕЧЕНЬ ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ . . .

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ. …

ПРИЛОЖЕНИЕ А . . . 92

ПРИЛОЖЕНИЕ Б 93

ПРИЛОЖЕНИЕ В. 94

ПРИЛОЖЕНИЕ Г 99

ПРИЛОЖЕНИЕ Д . . . 100

ПРИЛОЖЕНИЕ E . . . 101

ВВЕДЕНИЕ

Для координации взаимодействия отдельных подсистем служб времени в рамках отдельной страны или нескольких стран используются различные типы передающих средств, в функции которых входит передача потребителям сигналов точного времени и эталонных частот. В качестве передающих средств применяются системы, как специально предназначенные для передачи частотно-временной информации (ЧВИ), так и системы более широкого назначения, сигналы которых содержат ЧВИ в той или иной форме. К таким средствам относятся и автоматические телефонные станции. [3]

В зависимости от требуемой точности привязки шкал времени (ШВ) всех потребителей можно классифицировать по трем категориям: низкая точность (погрешность не более 1 мс), средняя точность (погрешность от 1мс до 1 мкс) и высокая точность (погрешность не ме6нее 1 мкс) .

К потребителям третьей категории можно отнести системы связи с частотным и временным уплотнением каналов. Требования к точности ЧВО у этой категории потребителей непрерывно возрастают и в настоящее время составляют порядка 10 нс, требуемая погрешность сличения эталонов частоты составляет значение порядка 10 ^-14 за сутки.

В данном дипломном проекте будет рассмотрена синхронизация частоты автоматической телефонной станции S - 12 с помощью СРНС NAVSTAR (рисунок 1. 1), ее технические характеристики и принципы работы [1] На рисунке 1. 1 цифрами 1, 2, 3, …. п. обозначены спутники. АТС - это автоматическая телефонная станция, которую мы синхронизируем. GPS - приемник, он принимает сигналы от не менее чем четырех спутников и выдает высокостабильный сигнал на АТС S - 12.

Рисунок 1. 1

ОБЗОР СПУТНИКОВЫХ РАДИОНАВИГАЦИОННЫХ

СИСТЕМ И ОБОСНОВАНИЕ НЕОБХОДИМОСТИ

СИНХРОНИЗАЦИИ ОБОРУДОВАНИЯ ТЕЛЕФОННОЙ

СЕТИ СВЯЗИ

История развития спутниковой навигации

Использование искусственных спутников Земли (ИСЗ) для определения транспортных средств имеет давнюю историю. Начало разработки первой спутниковой навигационной системы ТРАНЗИТ (США) было положено в 1964 г. Эта система содержала пять спутников на полярных орбитах и первоначально предназначалась для периодической коррекции систем наведения баллистических ракет морского базирования, а также исправления погрешностей корабельных инерциальных навигационных систем в любых погодных условиях. В настоящее время ее используют тысячи потребителей. Данная система имеет погрешность нахождения местоположения объектов около 25 м, период определения координат -1 -3 часа, а время определения координат - 10 - 16 минут.

Система ТРАНЗИТ продолжила свое развитие в GPS, строительство которой осуществлялось в три этапа. На первом этапе, с начала 60-х годов и до 1979 года, была разработана концепция системы и проведена экспериментальная проверка ее элементов. В декабре 1978 года группировка ИСЗ состояла уже из четырех спутников, что позволяло проводить реальные измерения трех координат пользователей и скорости их движения. В 1979 году начался второй этап - полномасштабная разработка и испытания GPS. Третий этап программы (с 1985 года) имел целью разработку и производство серийного оборудования GPS. Фирма «Коллинз» занялась производством приемных станций в 1988 году и поставила вооруженным силам США около 4300 станций первого поколения. Отсчет полномасштабной эксплуатации системы идет с 1993 года. В настоящее время в мире производством приемников GPS занято более 400 фирм.

Подобным же образом развивалась спутниковая радионавигация и в СССР. В начале была создана система «Цикада», развернутая в 1979 году. В ее состав входило четыре навигационных спутника с наклонением 83 градуса и с равномерным распределением плоскости орбит вдоль экватора. Она позволяла потребителю в среднем через каждые полтора - два часа входить в радиоконтакт с одним ИСЗ и определять плановые координаты своего места при продолжительности навигационного сеанса до 5 - 6 минут.

Дальнейшее развитие «Цикады» - разработка (с середины 70-х годов) и развертывание системы ГЛОНАСС. Первый навигационный спутник этой системы - «Космос - 1413» - был запушен в 1982 году, в сентябре 1993 года систему приняли в эксплуатацию. В 1995 году завершилось развертывание СРНС ГЛОНАСС до ее штатного состава - 24 спутника. В настоящее время система является основой навигационного обеспечения потребителей и элементом Российского радионавигационного плана.

Описание СРНС GPS и ГЛОНАСС

Бурное развитие науки и техники, а последние десятилетия позволило создать принципиально новый метод определения координат и приращений координат - спутниковый. В этом методе используется подвижные спутники, координаты которых можно вычислить на любой момент времени.

В настоящее время используются две спутниковые системы определения координат: российская система ГЛОНАСС, что является аббревиатурой более длинного и точного названия Глобальная Навигационная Спутниковая Система и американская система NAVSTAR GPS: Navigation with time and ranging global position system (навигационная система определения расстояний и времени, глобальная система позиционирования) . В данном случае под словом «позиционирование» подразумевается определения координат. Обе системы создавались для решения военных задач, в последние годы нашли широкое применение в разных отраслях.

Всю навигационную спутниковую систему определения местоположения принято делить на три сегмента: космический сегмент; сегмент контроля и управления; сегмент пользователей (приемники спутниковых сигналов) .

Современная система NAVSTAR GPS и ГЛОНАСС в полной комплектации должна состоять из 24 действующих спутников и трех запасных. Орбиты спутников практически круговые и расположены в трех орбитальных плоскостях (для ГЛОНАСС) и в шести орбитальных плоскостях (для NAVSTAR) (рисунок 1. 1)

Рисунок 1. 1 - Спутниковая навигационная система NAVSTAR GPS

Спутники оснащены солнечными батареями, которые обеспечивают энергией все системы, в том числе и во время прохождения спутника в тени Земли.

Орбиты спутников практически круговые и расположены на высоте, равной 20180 км и на расстоянии 26600 км от центра Земли. Такое количество спутников и их расположение обеспечивает одновременный прием сигналов как минимум от четырех спутников в любой части земли.

Все спутники равномерно расположены в шести орбитальных плоскостях. Период обращения спутников составляет 12 часов звездного времени, в связи, с чем каждый спутник появляется в том же месте ежедневно на четыре минуты раньше вчерашнего положения. Электроэнергией спутник обеспечивают две солнечные батареи 7, 2 м ² каждая, заряжая также аккумуляторы для обеспечения работоспособности спутника во время его полета в тени Земли. Каждый спутник снабжен кварцевым стандартом частоты, двумя цезиевыми и двумя рубидиевыми стандартами частоты, которые поддерживают стабильность часов спутника в пределах 1 ^. 10 ^-12 ÷1 ⋅ 10 ^-13 . Цезиевые и рубидиевые стандарты частоты координируют и управляют основной частотой - кварцевым стандартом частоты, генерирующим 10, 23 МГЦ. Из основной частоты формируют две частоты диапазона частот с названием L - диапазон.

L ₁ = 10, 23 ⋅ 154 = 1575, 42 MHz (длинна волны 19, 05 см)

L ₂ = 10, 23 ⋅ 120 = 1227, 60 MHz (длинна волны 24, 45 см)

Эти две частоты (называемые несущими) через модуляторы поступают на антенну и передают на Землю информацию. Информация накладывается на несущую частоту методом импульсно-фазовой модуляции. На этих частотах предаются навигационные сигналы (коды), а также другая навигационная и системная информация. [4]

Таблица 1. 1 - Основные технические характеристики СРНС

ХАРАКТЕРИСТИКА:

ХАРАКТЕРИСТИКА

ГЛОНАСС: ГЛОНАСС

GPS: GPS

ХАРАКТЕРИСТИКА: Количество спутников (проектное)

ГЛОНАСС: 24

GPS: 24

ХАРАКТЕРИСТИКА: Количество орбитальных плоскостей

ГЛОНАСС: 3

GPS: 6

ХАРАКТЕРИСТИКА: Количество спутников в каждой плоскости

ГЛОНАСС: 8

GPS: 4

ХАРАКТЕРИСТИКА: Тип орбиты

ГЛОНАСС:

Круговая

(S = 0 ± 0. 01)

GPS: Круговая

ХАРАКТЕРИСТИКА: Высота орбиты

ГЛОНАСС: 19100 км

GPS: 20200 км

ХАРАКТЕРИСТИКА: Наклонение орбиты, град

ГЛОНАСС: 64. 8 ± 0. 3

GPS: 55(63)

ХАРАКТЕРИСТИКА: Период обращения

ГЛОНАСС: 11ч 15, 7 мин.

GPS: 11ч 56, 9 мин

ХАРАКТЕРИСТИКА: Способ разделения сигналов

ГЛОНАСС: Частотный

GPS: Кодовый

ХАРАКТЕРИСТИКА:

Навигационные частоты, МГц

L ₁

L ₂

ГЛОНАСС:

1602, 56 - 1615, 5

1246, 44 - 1256, 5

GPS:

1575, 42

1227, 6

ХАРАКТЕРИСТИКА: Период повторения ПСП

ГЛОНАСС: 1 мс

GPS:

1 мс (С/А, код)

7дней (Р. - код)

ХАРАКТЕРИСТИКА: Тактовая частота ПСП, МГц

ГЛОНАСС: 0, 511

GPS:

1, 023(С/А-код)

10, 23(P, Y-код)

ХАРАКТЕРИСТИКА: Скорость передачи цифровой информации, бит/с

ГЛОНАСС: 50

GPS: 50

ХАРАКТЕРИСТИКА: Длительность суперкадра, мин

ГЛОНАСС: 2, 5

GPS: 2, 5

ХАРАКТЕРИСТИКА: Число кадров в суперкадре

ГЛОНАСС: 5

GPS: 25

ХАРАКТЕРИСТИКА: Число строк в кадре

ГЛОНАСС: 15

GPS: 5

ХАРАКТЕРИСТИКА:

Погрешность* определения координат в режиме свободного доступа:

Горизонтальных, м

Вертикальных, м

ГЛОНАСС:

60 (СТ-код)

75 (СТ-код)

GPS:

100 (С/А-код)

156 (С/А-код)

ХАРАКТЕРИСТИКА: ХАРАКТЕРИСТИКА

ГЛОНАСС: ГЛОНАСС

GPS: GPS

ХАРАКТЕРИСТИКА:

Погрешность* определения координат в режиме ограниченного доступа:

Горизонтальных, м

Вертикальных, м

ГЛОНАСС:

Не указана

GPS:

18 (P, Y-код)

28 (P, Y-код)

ХАРАКТЕРИСТИКА: Погрешности* определения проекций линейной скорости, см/с

ГЛОНАСС: 15 (СТ - код)

GPS:

<200 (С/А-код)

20 (P, Y-код)

ХАРАКТЕРИСТИКА:

Погрешности* определения времени в режиме свободного доступа, нс

В режиме ограниченного доступа, нс

ГЛОНАСС:

1000 (СТ - код)

GPS:

340 (С/А - код)

180 (P, Y - код)

ХАРАКТЕРИСТИКА: Система отсчета пространственных координат

ГЛОНАСС: ПЗ - 90

GPS: WGS - 84

ХАРАКТЕРИСТИКА: *Погрешности в определении координат, скорости и времени для системы ГЛОНАСС - 0, 997, для GPS - 0, 95.

Система GPS состоит из трех частей: космической, наземной и пользовательского оборудования.

Космическая часть - это 24 спутника, вращающихся по шести орбитам. Наклон орбит 20180 км, период обращения - 12 ч. Мощность спутникового передатчика 50 Вт. С вводом в строй усовершенствованных спутников, частые потери сигналов остались в прошлом. Спутники GPS способны, передвигаясь заполнять бреши в системе (если один из них вышел из строя) . Важным элементом спутника являются атомные часы, рубидиевые и цезиевые, по четыре на каждом. Спутники идентифицируются номером PRN (Pseudo Random Number), который отображается на приемнике GPS.

Наземная часть GPS состоит из четырех станций слежения, расположенных на тропических островах. Они отслеживают видимые спутники и передают данные на главную станцию (MCS) управления и контроля на авиабазе в Колорадо-Спринге для обработки на сложных компьютерных программных моделях. Эти наборы данных называются эфемеридами. Через наземные станции данные передаются обратно на спутники, а затем спутник передает их приемникам GPS. (Приложение А)

Все частоты в системе GPS кратны основной частоте часов спутника, 10, 23 МГц. Спутник передает сигналы в диапазонах L ₁ = 1575, 42 МГц и L ₂ = 1227, 6 МГц. Сигналы содержат два вида информации: «навигационные сообщения» и «псевдослучайный код» (рисунок 1. 2) . Код представляет собой последовательность единиц и нулей, на первый взгляд случайную, но изменяющуюся по сложному закону. Псевдослучайный код содержит номер спутника (PRN) .

^{0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 1} ⁰

Рисунок 1. 2 - Псевдослучайный код

Существуют два вида кода. Гражданский GPS используют С/А (Coarse Acquisition) - код, передаваемый только на частоте L ₁ . Один цикл передачи кода состоит из 1023 бит и повторяется 1000 раз в секунду. Военные используют высокоточный Р - код (Precise), который передается на обеих частотах - L ₁ и L ₂ . Сигнал, передаваемый на частоте L _1, модулирован квадратурно обоими кодами, а на L ₂ - только кодом Р. Р - код системы Navstar представляет собой код Голда с периодом 38 недель и тактовой частоты 10, 23 МГц; С/А код - код Голда с периодом 1 месяц, длинной 1023 бита. [2]

Навигационные сообщения передаются со скоростью 50 бит/сек. Дополнительной модуляцией несущей частоты под псевдослучайным кодом. Каждое сообщение состоит из 25 «порций» (страниц) по 1500 бит. Полный цикл передачи всего сообщения занимает 12, 5 мин. Навигационное сообщение включает в себя «эфемероидные данные» и «данные альманаха»; данные о времени в системе GPS и коэффициенты для его пересчета во всемирное время, ключевые слова к Р - коду и специальные сообщения. Эфемериды - это данные об исправности спутника и параметры его орбиты - коэффициенты, с помощью которых приемник вычисляет текущее и будущее положение спутника, используя математическую Кеплеровскую модель. Кроме того, эти сообщения содержат коэффициенты поправки к спутниковым часам и к задержке распространения сигнала в ионосфере для пользователей С/А - кода. Альманах - это данные об эфемеридах и состоянии остальных спутников в системе (хранятся в памяти приемника) .

Благодаря этим данным приемник всегда «знает», где находятся все спутники системы, даже когда он их не видит, и какие спутники лучше использовать для определения координаты. [2]

Расчет определения положения с помощью GPS

Система GPS использует способ по дальности до ориентиров-спутников, определяемой с помощью псевдослучайного кода. Для этого приемник генерирует свой внутренний код в то же время, что бы он точно дублировал код спутника. Приемник сравнивает разницу во времени между приемом соответствующей части спутникового кода с такой же частью своего кода. Зная сдвиг по времени и скорость распространения радиоволн, GPS приемник получает расстояние до спутника, называемое псевдодальностью, и по двум расстояниям может определить свое точное положение. Проблема состоит в том, что надо убедиться, что псевдослучайные коды приемника и спутника сгенерированны одновременно. Со стороны спутника тут сложности нет. Часы спутника очень точные и корректируются по сигналам с Земли. Часы приемника менее точны, кроме того, задержки распространения сигнала в ионосфере, тропосфере и т. д. создают суммарную ошибку. Для ее исправления GPS использует измерение дальности от третьего спутника. (Приложение Б)

При определении двухмерных координат по двум окружностям равных расстояний приемник «не знает», находится ли он на самом деле на них или нет. Например, если часы приемника отстают, истинная позиция будет ближе, но в каждом случае пропорционально ближе к каждому из спутников. Вводя линию положения от третьего спутника, мы можем получить однозначный результат. Приемник GPS имеет программу, которая берет информацию для трех линий положения и решает ее алгебраически. Эти вычисления дают решения трех уравнений для трех неизвестных: долготы, широты и ошибки часов. Вот почему для определения двухмерных координат необходимы как минимум три спутника, четыре - для трехмерных. [4]