ESTUDO E IMPLEMENTAÇÃO DO CÓDIGO CA PARA O SISTEMA GLONASS DA FEDERAÇÃO RUSSA

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1 ESTUDO E IMPLEMENTAÇÃO DO CÓDIGO CA PARA O SISTEMA GLONASS DA FEDERAÇÃO RUSSA Ney Luiz Montes Junior (PG) e Fernando Walter (PQ) ITA - Instituto Tecnológico de Aeronáutica Divisão de Engenharia Eletrônica Depto. de Telecomunicações São José dos Campos, SP, Brasil Resumo Este trabalho apresenta a tecnologia GLONASS (Sistema de Navegação Global por Satélite) da Federação Russa. O conceito de Pseudo-Satélite, descrevendo algumas de suas características, aplicações, bem como algumas vantagens de seu uso, também é descrito. Por fim apresenta a implementação de um circuito gerador de um Código CA utilizado no sistema GLONASS para o espalhamento espectral da mensagem enviada através dos satélites. O Código CA apresentado é parte de um Pseudo-Satélite para o sistema GLONASS. Abstract This work presents the GLONASS (Global Navigation Satellite System) technology. Pseudolite concepts, presenting some of its characteristics, applications, as well as some advantages of its use are described. Finally it is presented the implementation of GLONASS CA code generating circuit which causes the spread spectrum of the message transmitted by the satellites. The Presented Code CA is part of a Pseudolite for the GLONASS System. 1. INTRODUÇÃO Sistemas globais de navegação por satélites (GNSS Global Navigation Satellite Systems) [1] têm revolucionado domínios como o da geodésia, da navegação e demais áreas relativas a posicionamento, velocidade e de padrão de tempo (PVT) [2]. Com essa finalidade atualmente existem dois sistemas de navegação em operação: GPS (Global Positioning System) e GLONASS (Global Navigation Satellite System) [3]. Encontra-se em desenvolvimento o Galileo, pertencente à Comunidade Européia e deve entrar em operação em O sistema GLONASS, pertencente à Federação Russa, possui função semelhante tanto à do sistema GPS, pertencente aos EUA, quanto ao sistema em desenvolvimento pela Comunidade Européia que é prover localização global utilizando satélites. Sendo assim eles podem se complementar, desde que haja receptores adaptados para receber os sinais provenientes desses sistemas (interoperabilidade). O propósito do sistema global de navegação por satélite GLONASS é prover a um número ilimitado de usuários com serviços de posicionamento tridimensional, medida de velocidade e de tempo em qualquer lugar do globo terrestre e em qualquer condição climática [4]. O sistema GLONASS foi oficialmente declarado operacional em 24 de setembro de 1993, através do decreto do Presidente da Federação Russa. Em 7 de março de 1995 foi anunciado o decreto do Governo da Federação Russa "Sobre a execução de trabalhos de uso do sistema para usuários civis". O decreto confirma o compromisso inicial sobre as possibilidades de uso do sistema por civis. 2. DESCRIÇÃO DO SISTEMA GLONASS O sistema GLONASS, assim como o GPS, é constituído de três segmentos: Segmento Espacial (constelação de satélites); Segmento de Controle (estações em solo); Segmento de Usuário (receptores e/ou sensores).

2 2.1 Segmento Espacial A constelação completa do GLONASS foi projetada para ser composta de 24 satélites (Fig. 1a), em três planos orbitais cujos nodos ascendentes (ponto em que o satélite cruza o plano equatorial dirigindo-se do hemisfério sul para o norte) estão 120º a parte (Fig. 1b). Oito satélites estão igualmente espaçados em cada plano orbital com deslocamento de 45º de latitude. Os planos orbitais têm 15º de deslocamento de latitude relativo um ao outro. Atualmente estão em operação 12 satélites, nos planos 1 e 3. Os satélites têm uma altitude de cerca de km, em órbitas quase circulares, com uma inclinação de 64,8º e cada satélite completa a sua órbita em aproximadamente 11 horas 15 minutos. O espaçamento entre os satélites permite prover cobertura contínua e global da superfície terrestre e do espaço próximo a Terra. (a) Constelação GLONASS (b) Planos Orbitais Fig. 1 (a) Constelação GLONASS projetada para comportar 24 satélites. (b) Distribuição dos satélites em 3 planos orbitais cujos nodos ascendentes possuem deslocamento de 120º de latitude relativo um ao outro. 2.2 Segmento de Controle O segmento de controle inclui o Centro de Controle de sistema e a rede de comando e estações de telemetria que ficam situados ao longo do território da Federação Russa. O segmento de controle provê monitoramento do estado dos satélites da constelação GLONASS, isto é, correção dos parâmetros orbitais e envio de dados a serem acrescentados na mensagem de navegação (correção de relógio, saúde dos satélites etc.). 2.3 Segmento de Usuário O segmento de usuário consiste de receptores e processadores de recepção e processamento do sinal de navegação GLONASS que permitem ao usuário calcular a posição em três dimensões, a velocidade do usuário e o tempo (PVT). Quatro satélites, no mínimo, são requeridos para computar as quatro dimensões: x, y, z (posição) e t (tempo). A evolução tecnológica proporcionou o desenvolvimento de receptores cada vez mais compactos e baratos, com uma maior acurácia no resultado final. 2.4 Sinais A interface entre o segmento espacial e o de usuário consiste em dois enlaces de rádio na banda L. Cada satélite transmite sinais em duas faixas da banda L (L1 = 1,6 GHz e L2 = 1,2 GHz). O GLONASS usa técnica de Múltiplo Acesso por Divisão de Freqüência (FDMA) em L1 e L2. Dois satélites do GLONASS podem transmitir na mesma freqüência de portadora desde que sejam antípodas no mesmo plano orbital. Satélites da constelação GLONASS provêem dois tipos de sinais de

3 navegação em L1 e L2, sinal de precisão padrão e sinal de alta precisão, respectivamente. O sinal de precisão padrão, com taxa de relógio 0,511 MHz, é projetado para uso civil em nível mundial. O código de alta precisão com relógio 5,11 MHz é modulado através de código especial e para seu uso é necessário autorização do Ministério de Defesa. Como a técnica empregada é o FDMA cada satélite possui uma freqüência de portadora exclusiva. Os valores nominais de freqüências L1 e L2 estão definidos pelas seguintes expressões: L1: f K1 = f01 + K. f1, L2: f K2 = f02 + K. f2, onde K - é o número do canal de freqüência (Fig. 1b) em que os sinais são transmitidos pelos satélites do GLONASS em L1 e L2 correspondentemente; f 01 = 1602 MHz; f1 = 562,5 khz, para L1; f 02 = 1246 MHz; f2 = 437,5 khz, para L2. 3. PSEUDO-SATÉLITES Pseudo-satélites (PS s) são transmissores situados em solo, ou próximos, projetados para enviar sinais GNSS-compatíveis com o propósito de melhorar a acurácia (através da geometria), a confiabilidade e a integridade do sistema através de um maior número de fixos (satélites e/ou pseudo-satélites). Eles foram projetados, originalmente, para validar o conceito GNSS e testar equipamentos e receptores. Com o passar do tempo novos conceitos e hardwares de pseudo-satélites foram desenvolvidos, de modo que podem agora ser usados em uma extensa gama de aplicações, dentre as quais podemos citar: gerador de sinais para testes em laboratório de receptores GNSS, robótica, em navegação de veículos de forma geral (Sistemas de Tráfego Inteligente), agricultura de precisão, entre outros [5]. 3.1 Características e Aplicações Pseudo-satélites são usados para, além dos satélites da constelação, aumentar o número de fixos em cenários onde o número de satélites visíveis é limitado ou onde se deseja melhorar a geometria fixos/usuário e assim aumentar a exatidão na determinação de posição. Em aplicações, como em aeroportos, normalmente são usados aos pares, um de cada lado da pista de pouso. A potência dos PS s é mantida baixa, de modo que o sinal transmitido pode apenas ser captado dentro de uma bolha de cobertura (Fig. 2). O raio da bolha sendo determinado pela potência de saída do PS. Fig. 2 Bolha de cobertura que define o alcance do pseudo-satélite.

4 Os pseudo-satélites podem atuar tanto como fontes para medidas de distância quanto como transmissores de correções diferenciais (Fig. 3) dentro do conceito de GBAS (Ground Based Augmentation System). O GNSS diferencial (DGNSS) é uma técnica usada para melhorar a acurácia e integridade do sistema, requerendo receptores de referência localizados em posições conhecidas. A estação de referência estima os erros presentes nos cálculos de distância gerando uma correção para cada satélite em vista. Esta correção, denominada diferencial, é então transmitida a todos os usuários DGNSS. 3.2 Vantagens do uso de Pseudo-Satélite Fig. 3 Conceito do GBAS integrando o DGNSS e o PS [6]. O pseudo-satélite pode ser usado para o envio de correções diferenciais locais, que podem ser recebidas por um receptor aviônico ligeiramente modificado. Ele provê uma rápida mudança na geometria, que é extremamente importante para as técnicas de resolução de ambigüidades de fase da portadora e diminui o efeito do multicaminho. Pelo fato do pseudo-satélite possuir uma posição fixa sua posição é bem conhecida, sem necessidade de correções, o que não ocorre no cálculo para a determinação da posição dos satélites. 4. DESCRIÇÃO DO CIRCUITO DESENVOLVIDO O circuito desenvolvido é parte de um pseudo-satélite para o sistema GLONASS, que está sendo feito a partir do estudo do pseudo-satélite GPS em desenvolvimento no ITA. Este circuito gera um Código CA que somado (em módulo 2) à mensagem de navegação (dados), que vai ser transmitida, resulta no espalhamento espectral do sinal. 4.1 Circuito Gerador de Código CA (Code Acquisition) O CA é um código binário de 511 bits, que se repete a cada 1ms. A fim de conhecer o formato desse código, foi realizada a sua implementação no software Excel. De acordo com a seqüência binária obtida o código GLONASS se repete depois de 511 bits, ou seja, o 512º é igual ao 1º bit e assim toda a seqüência também se repete. O código sempre se inicia com a seqüência binária: e termina com a seqüência binária:

5 A partir do documento ICD (Interface Control Document) [7] foram desenvolvidos os circuitos responsáveis pela geração do código CA, utilizando o software Max Plus II da Altera. Deste documento foram extraídas as operações lógicas necessárias à geração do relógio de 0,511 MHz e do código CA. Este circuito (Fig. 4) é um registrador de deslocamento com 9 flip-flops capaz de gerar 512 seqüências binárias distintas. No entanto uma das seqüências em que todos os bits são 0 não é usada, portanto temos 511 seqüências válidas e de cada seqüência somente o bit de saída do 7 º flipflop é extraído para formar o código CA para o sistema GLONASS. O relógio utilizado é de 0,511 MHz, resultando em 511 pulsos a cada 1ms. Por não ser uma freqüência inteira, sendo derivada de um relógio mestre inteiro de 5 MHz, o relógio de 0,511 MHz foi gerado a partir de operações lógicas realizadas em cima do relógio mestre. Fig. 4 Circuitos desenvolvidos e implementados, responsáveis pela geração do código CA. 5. RESULTADOS 5.1 Simulação O número de pulsos de relógio (transição positiva), mostrados logo abaixo do código CA, corresponde à quantidade de 1s (nível alto) ou 0s (nível baixo). Por exemplo, no início do código simulado (Fig. 5a) temos 7 bits positivos (1s) que corresponde aos 7 primeiros bits obtidos no Excel. Outro exemplo pode ser visto no fim do código simulado (Fig. 5b) onde temos 4 bits negativos (0s) e 2 bits positivos (1s), que correspondem aos 6 últimos bits gerados através do Excel. (a) Início do Código (b) Fim do Código Fig. 5 Resultados obtidos a partir da simulação do circuito desenvolvido no software Max Plus II da Altera.

6 5.2 Experimentais Para obter os resultados experimentais o circuito foi implementado numa placa educativa da Altera, a qual possui a FPGA PF10K Podemos ver que o código GLONASS obtido através do experimento (Fig. 6) é o mesmo obtido através da simulação e consequentemente é o mesmo obtido através do Excel. Comparando bloco a bloco podemos ver que o mesmo código foi gerado tanto pela simulação em software como em hardware. Sendo assim observamos que ambos os resultados representam o mesmo sinal, portanto o mesmo código CA. (a) Início do Código (b) Fim do Código Fig. 6 Resultado experimental obtido a partir da implementação do circuito na placa educativa da Altera. 6. CONCLUSÕES Foi apresentado o sistema GLONASS pertencente à Federação Russa, mostrando os segmentos que o constituem, bem como algumas de suas características. O conceito de pseudo-satélites bem como suas características e algumas de suas aplicações foram descritas. Foram obtidos resultados de simulação no software Max Plus II da Altera e resultados experimentais obtidos através da implementação dos circuitos desenvolvidos, na placa educativa da Altera. AGRADECIMENTOS Este trabalho recebe o apoio financeiro da FINEP e do Projeto CNS/ATM. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] Wang, J.; Pseudolite Applications in Positioning and Navigation: Progress and Problems, Journal of Global Positioning Systems 2002 Vol. 1, Nº 1: 48. [2] Misra, P.; ENge, P.; Global Positioning System Signals, Measurements, and Performance Ganga-Jamuna Pres, Lincoln, Massachussetts, [3] Kaplan, E. D.; Understanding GPS :Principles and Applications, Ed Artech House, [4] Parkinson, B. W.; Spilker Jr., J. J., Global Positioning System: Theory and Applications Progress in Aeronautics and Astronautics Vol. 163, AIAA [5] Cobb, H. S.; GPS Pseudolites: Theory, Design, and Applications, Ph.D. dissertation, Dept. of Aeronautics and Astronautics, Stanford University, [6] Zandonadi Jr., D.; Walter, F.; Pseudolite: Ground-based Transmmiter for GPS - Design and Implementation; International Microwave and Optoelectronics Conference (IMOC), [7] GLONASS ICD (Interface Control Document), Version 5.0, 2002.