Орбитальное движение спутников GPS

Цель работы: изучение основ вторичной обработки информации в навигационных приемниках, работающих со спутниками GPS.

Теоретические сведения.

Орбитальное движения спутников имеет исключительно важное значение при решении основной навигационной задачи – определении координат, скорости и времени на основании измерений псевдо дальностей до спутников и использовании информации, передаваемой в соответствующих сообщениях спутников.

Для изучения и исследования орбитального движения спутников GPS применяются следующие m-файлы и функции: ECEFLLH.m, LLHECEF.m - функции для преобразования координат; Tim.m - функция для расчета времени; Yuma_GPS_Alm1.m - функция считывания данных альманаха и m-файл Orbita_GPS.m, рассчитывающий орбиты спутников GPS по данным альманаха, представленного в формате YUMA. Более полные сведения о перечисленных программах даются в комментариях к ним.

Порядок выполнение работы.

Пакет программ для выполнения лабораторной работы расположен в папке ORBITA_GPSv1. Для выполнения работы в качестве входных данных потребуется альманах спутников GPS в формате YUMA, который можно получить с нескольких сайтов или с навигационного приемника, если приемник имеется в лаборатории.

1. Запишите альманах в формате YUMA на жесткий диск компьютера. По умолчанию в комплексе программ установлен альманах с именем almanac_yuma_week0371_589824.txt (альманах приведён в приложении). Имя альманаха внесите в отчет.

2. Создайте папку ORBITA_GPSv1_My и скопируйте в нее все программы из папки ORBITA_GPSv1 и альманах, с которым Вы будете работать.

3. Запустите MatLab.

4. Обратитесь к папке ORBITA_GPSv1_My и откройте ее.

5. Последовательно откройте функции и m-файлы из папки ORBITA_GPSv1: Orbita_GPS.m,Yuma_GPS_Alm1.m, Tim.m, LLHECEF.m, ECEFLLH.m,PR_Tim.m,PR_Yuma_GPS_Alm1.m, almanac_yuma_week0371_589824.txt. Изучите тексты программ и комментарии в каждой программе.

6. Выполните m-файл PR_Tim.m и изучите в командном окне полученный результат. Сформируйте на основе m-файла PR_Tim.m файл с именем PR_Tim_My.m. Введите в сформированный файл данные, соответствующие дате выполнения работы, сохраните файл и выполните файл. Результат из командного окна запишите в отчет.

Пример выполнения m-файла PR_Tim.m с данными: 10.03.2016, 15:20

ans =

Columns 1 through 2

1887 863

Columns 3 through 4

13213 4

Column 5

7. Выполните m-файлPR_Yuma_GPS_Alm1.m и изучите в командном окне полученный результат. Сопоставьте данные из командного окна с данными альманаха almanac_yuma_week0371_589824.txt. Сформируйте на основе m-файлаPR_Yuma_GPS_Alm1.m файл с именем PR_Yuma_GPS_Alm1_My.m. Введите в сформированный файл имя записанного альманаха, сохраните файл и выполните файл, сравните результат из командного окна с данными альманаха и результат запишите в отчет.

8. Очистите командное окно из папки ORBITA_GPSv1_My, откройте m-файл с именем Orbita_GPS.m, выполните m-файл, ознакомьтесь с графическим результатом.

Рис. 1 Результат выполнения Orbita_GPS.m

9. Присвойте переменной Dat в файле Orbita_GPS.m имя альманаха из п.1 и введите данные о начале отсчёта как указано в комментариях к файлу. Установитескорость вращения Земли равную нулю. Убедитесь, что все графики, кроме графика 1 закомментированы. Исполните файл. Результат выполнения график 1 запишите на диск, как приложение к отчёту. В отчет внесите описание графика 1.

Рис. 2 Результат выполнения Orbita_GPS.m с данными: 10.03.2016, 15:20

10. Установите скорость вращения Земли, равную 7.2921151467e-005. Выберите номер спутника, с которым будете работать.

Выберите номер спутника равный дню вашего рождения (число спутников GPS, как правило, близко к30). Внесите этот номер в отчет.

Рис. 3 Результат выполнения графика 1 с номером спутника 13

Разблокируйте график 2, исполните файл. Дайте объяснения зависимостям улов азимута и видимости. График запишите на сменный диск, а интерпретацию результатов в отчет.

Рис.4 Результат выполнения графика 2 с номером спутника 13

11. Разблокируйте график 3, исполните файл. Дайте объяснения зависимостям доплеровской частоты, широты от долготы. График запишите на сменный диск, а интерпретацию результатов в отчет.

Рис.5 Результат выполнения графика 3 с номером спутника 13

12. Разблокируй график 4, исполните файл. Объясните поведение проекции орбиты на плоскость XY и изменение дальности до спутника от времени. График запишите на сменный диск, а интерпретацию результатов в отчет.

Рис.6 Результат выполнения графика 4 с номером спутника 13

13. Выберите группу спутников, принадлежащих одной из 6 орбит, и повторите расчётные процедуры пунктов 9-12. График запишите на сменный диск, а интерпретацию результатов в отчет.

Рис.7 Пример шести орбит спутников GPS, при скорости вращения Земли равной нулю

Вопросы:

1. Объясните зависимость изменения доплеровской частоты при движении спутника по орбите.

2. Объясните зависимость изменения дальности до спутника от времени для неподвижного наблюдателя.

3. Для каких целей используются данные альманаха в спутниковых навигационных приёмниках.

4. С помощью какого фрагмента программного комплекса рассчитываются углы видимости и азимута спутников?

 

Лабораторная работа № 7

Наблюдение спутников GPS

Цель работы: изучение основ вторичной обработки информации в навигационных приёмниках, работающих со спутниками GPS.

Выполнение работы.

1. Запишите альманах в формате YUMA на жесткий диск компьютера. По умолчанию в комплексе программ установлен альманах с именем almanac_yuma_week0371_589824.txt (альманах приведён в приложении). Имя альманаха внесите в отчет.

2. Создайте папку ORBITA_GPSv2_My.

3. В папку ORBITA_GPSv2_My запишите: файл альманаха, с которым будете работать, скопируйте функции ECEFLLH, LLHECEF, Yuma_GPS_Alm1, файл Tim.m из папки ORBITA_GPSv1 и файл Orbita_GPS_1.m из папки ORBITA_GPSv2. Эти данные внесите в отчет в соответствующий раздел.

4. Пользуясь комментариями к файлу Orbita_GPS_1.m установите время, в которое должны наблюдаться спутники. Выполните файл и результаты, полученные на графике, занесите в отчет.

Задание: день, в который должны наблюдаться спутники, будет равен дате вашего рождения (пример 13 декабря 1994 будет – 12/13/1994), точное время задайте произвольно.

5. Во входных данных файла Orbita_GPS_1.m измените время на 6 часов, выполнить файл и полученную конфигурацию наблюдаемых спутников занести в отчет. Объяснить разницу между результатами п.4-5.

Рис.1 Полученная конфигурация видимости29 спутников 13.03.16 с разницей в 6 часов

6. Во входных данных файла Orbita_GPS_1.m, пользуясь комментариями установить вывод наблюдаемых спутников в таблицу, появляющуюся в командном окне после исполнения файла и сопоставить эту таблицу с данными, полученными с навигационного приемника на установленное в файле время.

Примечание: практически все навигационные приёмники имеют опцию для отображения на компьютере наблюдаемых спутников в полярной системе координат.

Вопросы:

1. В каких пределах изменяется угол видимости спутника?

2. В каких пределах изменяется азимут спутника?

3. Сколько спутников GPS могут одновременно находиться в зоне видимости?

 

Лабораторная работа № 8