GPS szinkronizált időalap biztosítása elosztott radarrendszer számára Szüllő Ádám Szélessávú Hírközlés és Villamosságtan Tanszék Budapesti Műszaki és Gazdaságtudománi Egetem Budapest, Magarország szullo@mht.bme.hu dr. Seller Rudolf, konzulens Szélessávú Hírközlés és Villamosságtan Tanszék Budapesti Műszaki és Gazdaságtudománi Egetem Budapest, Magarország seller@mht.bme.hu Kivonat A dolgozat célja eg elosztott mérőrendszer lokális óráinak egmáshoz történő szinkronizálásának GPS alapon történő megvalósításának vizsgálata, eg kifejlesztett kísérleti eszköz bemutatása, valamint az eszköz performancia analízise. A bemutatott pozíció mérési elv időmérésre vezethető vissza, mel feltételezi az eges mérő állomások heli óráinak egüttfutását, legfeljebb tíz nanoszekundumos nagságrendű eltérést megengedve. A konkrét elrendezés a nag földrajzi távolságok miatt nem teszi lehetővé órajel szétosztó hálózat kiépítését, ennek következtében került a vizsgálódás középpontjába eg GPS alapú megoldás. (Kivonat) I. BEVEZETÉS A BME Szélessávú Hírközlés és Villamosságtan Tanszék Mikrohullámú Távérzékelés laboratóriuma eg multilaterációs radarrendszer kifejlesztésére vállalkozott. A projekt újszerűsége következtében több részterületen intenzív kutatási és fejlesztési tevékenséget igénel. A multilaterációs radarrendszer eg elosztott, a rendszerre vonatkoztatott abszolút idő mérésén alapuló mérőrendszer. Az eges, földrajzilag szétszórt mérési pontokon szükséges eg nag pontosságú, egmáshoz szinkronizált órajel források biztosítása. A kiépítendő rendszer nag terület lefedését célozza meg (WAMLAT Wide Area Multilateration), ezért nem célszerű vezetékes órajel szétosztó hálózat kiépítése. A dolgozatban bemutatott megoldás a GPS műholdak vétele alapján állítja elő a nagpontosságú, szinkronizált órajelet. A nag stabilitású oszcillátor a WAMLAT rendszereken kívül is használható bármel olan elosztott mérőrendszerben, ahol a mérés vag annak eg része abszolút idő mérését igénli. II. MULTILATERÁCIÓ A multilaterációs technika alkalmazása lehetővé teszi passzív radarrendszer kiépítését, tehát a rendszer minden eges eleme csupán vételi módban üzemel. Jelforrás pozíciójának meghatározásához ebben az esetben csak az eges vételi állomásokon a beérkező jelhez hozzárendelhető abszolút idő (időbéleg) áll rendelkezésre, mint mérési adat. Mivel nem ismert a jel indításának ideje (a mérőrendszer szempontjából aszinkron módon) a multilaterációs algoritmus csupán a mért abszolút idő értékek közötti különbséget (TDOA Time Difference Of Arrival) használhatja fel a mérőrendszerhez viszonított pozíció becslésére. 1. ábra 1. ábra Elosztott passzív radarrendszer Az egik, tetszőlegesen megválasztott állomás által mért abszolút időt tekintve referenciának, a többi állomás által szolgáltatott értékekből képezhetőek a különbségi TDOA értékek. A TDOA értékek és a keresett pozíció közti kapcsolatot eg nemlineáris egenletrendszer adja meg (1), ahol az r n helvektorok az eges vételi állomások térbeli pozícióját, míg t helvektor a jelforrás pozícióját adják meg. Tdiff c Tdiff... Tdiff,,1, N t r t r t r1 t r = t r t r... t rn t r Geometriailag az egenletrendszer az eges időkülönbségek és hozzá tartozó helvektor párok által meghatározott forgás-hiperboloidok metszéspontjára vezet. (1)
III. ÓRAJELEK STABILITÁS VIZSGÁLATÁNAK MÓDSZEREI Órajelek releváns paramétereinek méréséhez mindenféleképpen szükség van eg referencia órajel forrásra is. Általános esetet feltételezve a referenciának több nagságrenddel nagobb stabilitással kell rendelkeznie, mint a vizsgált eszköznek. Jelen esetben, ez nem járható út, mivel a cél eg eleve nag stabilitású órajel forrás létrehozása. Ebben az esetben megengedhető, hog maga a referencia a vizsgált eszközzel egenrangú berendezés, ha feltételezhető az eges eszközök zajfolamatainak függetlensége. Statisztikai vizsgálatok alapját a mérendő eszköz és a referencia órajele közötti időhiba mintasorozat adja. A hagomános statisztikai becslők (szórás, átlag) nem konvergensek a mérési eredménekre, azok speciális jellemzői (pl. frekvenciakülönbség miatti folamatos időeltolódás) miatt. Órajelek stabilitásának vizsgálatát lehető tevő statisztikai módszert David W. Allen dolgozta ki [1]. A fázishiba adatsorból számolt Allan varianciából (AVAR) () a normál szóráshoz hasonlóan gökvonással kapható meg az Allan szórás (ADEV) (3). 1 1 ( ) ( ) ( ) τ = x n = x n xn 1 + x () + + n τ τ ( τ ) ( τ ) = (3) Az algoritmus a stabilitást két eszköz között relatíve fejezi ki, tehát ha két azonos típusú eszköz összehasonlítása történik meg, akkor az Allan szórást a két eszköz órajeleit terhelő zajok varianciájának összege növeli, feltéve a zajfolamatok függetlenségét. Valós esetben a véges mintahossz miatt () helett (4) becslőt kell alkalmazni. 1 ( nτ, N ) = ( x x x ) (4) i n τ ( N n) N n 1 i+ n i+ n + i= alakúak, a pálasugár (656 km) kisebb a geostacionárius pálákénál, íg a keringési idő (11,967 óra) rövidebb azokénál. Mindegik pálán nég műhold található. A rendszer ilen felépítése biztosítja, hog a Föld felszínének bármel pontján, a nap 4 órájában legalább 4 műhold látható, amenni a minimálisan szükséges a pozíció meghatározáshoz. A műholdak fedélzetén tartalékolt cézium és rubídium atomórák találhatóak, a helmeghatározás uganis időmérésre vezethető vissza. A pontos helmeghatározáshoz nagpontosságú időalapra van szükség. A műholdak óráit rendszeres időközönként szinkronizálják az UTC (Universal Time, Coordinated) egezménes világidőhöz. Mindegik műhold két, szórt spektrumú L-sávú csatornán végez BPSK modulált jelszórást. Az L1 (1575,4 MHz) csatornán az ún. C/A és P kódok vehetők, míg az L (17,6 MHz) csak a P kód. Ezek mindegike álvéletlen-generátoros kódmoduláción (PRN Pseudorandom Noise) alapul. A C/A kód szabadon hozzáférhető, ez kisebb pontosságú navigációt tesz lehetővé, a civil GPS vevők általában csak ezt a kódot használják. A P kód csak katonai GPS vevőkkel érhető el, legalább 1-szeres pontosságot garantál a C/A kódhoz képest, mivel 1-szeres sávszélességű az utóbbihoz képest. [] Eg GPS vevő modul esetén a nag pontosságú időalap a vevő által generált ún. PPS (Pulse Per Second) jel segítségével érhető el. Ez eg 1 Hz ismétlési frekvenciájú impulzus sorozat, melnek felfutó élei hosszútávon átlagosan a világidő (UTC Coordinated Universal Time) másodperceihez van szinkronizálva. Legnagobb hátrána, hog jelentős zajjal terhelt, az ideális időhöz képest jelentős szórással (jitter) bír. Ennek következtében szinkronizációs alapként történő felhasználása során megfelelő szűrési módszereket kell alkalmazni. V. GPSDO A GPS által szinkronizált oszcillátorokat angol terminológia szerint GPSDO-nak (GPS Disciplined Oscillator) nevezik. Általános felépítésükre jellemző a zárt szabálozási hurok. A szabálzás a referencia jel és a szabálozott eszköz kimenő jelének közti fázishiba alapján történik, íg egfajta PLL-nek (Phase Locked Loop) tekinthető. ábra Az idő szórás (TDEV) az órajel időbeni (fázis) stabilitását adja meg (5). x τ = (5) 3 ( τ ) ( τ ) IV. GPS MINT SZINKRONIZÁCIÓS FORRÁS A GPS (Global Positioning Sstem) eg műhold alapú navigációs rendszer, melet az Amerikai Egesült Államok Védelmi Minisztériuma fejlesztetett ki, tart üzemben. A rendszer legalább 4, aktív műhold esetén tekinthető teljes rendszerként. A műhold pálák 55 szöget zárnak be az egenlítőhöz képest, és a 6 pála az egenlítő mentén egenletesen vannak elosztva 6 -oknént. A pálák közel kör. ábra Szabálzási kör általános blokkvázlata Analóg PLL alapú megoldás realizációs problémák miatt kerülendő, a hurokszűrő a fázisdetektorban alkalmazott alacson frekvenciájú jelek miatt az ésszerű paraméterek határát jelentősen túllépő alkatrészeket igénel.
A realizálhatóságot figelembe véve, a szabálzó egséget célszerű digitálisan megvalósítani, processzor vag logika formájában. Ebben az esetben a numerikusan előállt beavatkozó jelet digitális analóg átalakító (DAC Digital Analog Converter) konvertálja az oszcillátort vezérlő feszültség értékké. A módszer hátránaként meg kell említeni, hog az oszcillátor analóg beavatkozó jele additív és multiplikatív zavarokkal terhelt, emiatt ezen hatások rontják a pontosságot, és a szabálzás hatékonságát. Az előbbi (additív) zavarforrásra példa a DAC kvantálási zaja, míg utóbbit okozhatja a DAC referencia feszültségének változás is. A dolgozat további része eg teljesen digitális megoldás vizsgálatára korlátozódik. Ebben az esetben a fázisdetektor, a szabálzó, valamint a vezérelt oszcillátor is digitális módon kerül megvalósításra. A digitális oszcillátor az NCO (Numericall Controlled Oscillator) technika segítségével kellő bitfelbontás esetén rendkívül nag frekvencia és fázis felbontást képes biztosítani. Lévén a teljes szabálzási kör numerikusan van megvalósítva, a PPS jel véletlenszerűségét leszámítva teljesen determinisztikus működést biztosít. Az elérhető stabilitásnak, és pontosságnak csak a lokális oszcillátor stabilitása szab gátat. A szinkronizált órajelet az NCO numerikus értékeiből DDS (Direct Digital Snthesizer) technika segítségével lehet előállítani. 3. ábra frekvencia stabilitású hőmérséklet kompenzált kristál oszcillátor (TCXO) mérése alapján a szimulációban a lokális oszcillátor frekvencia vándorlása eg 36 másodperces periódus idejű, 5 ppb amplitúdójú szinuszos jellel, míg a PPS jel zaja statisztikai és spektrális vizsgálata alapján eg ns szórású kékzajjal lett modellezve. A kékzaj felüláteresztő szűrővel színesített fehérzajból áll elő, a kisebb frekvenciájú zajkomponensek elnomása által. A szimulációk eg PI típusú szabálzó P és I paramétertől függő hatékonságát mutatják be, a fázishiba nullértéktől való átlagos négzetes eltérés mérőszám alapján. A sötétebb színek kisebb átlagos eltérést mutatnak, míg a fehér szín 1 ns-ra szaturált átlagos négzetes eltérést jelent. A két független változójú grafikon origója felé haladva növekszik a szabálzó kör szorossága. A lokális oszcillátor stabilitásának hatása eg ppb és eg 5 ppb amplitúdójú, periodikus frekvencia eltolódás esetére elvégzett szimulációk alapján figelhető meg. 4. ábra, 5. ábra A numerikus kompenzáció létjogosultságát két, 5 ppb periodikus frekvencia eltolódás esetére elvégzett szimuláció bizonítja. 5. ábra, 6. ábra 3. ábra Teljesen digitális GPSDO blokkvázlata 4. ábra Lokális oszcillátor ppb amplitúdójú szinuszos frekvenciahibájának hatása numerikus kompenzációval ellátott szabálzási kör hatékonságára VI. LOKÁLIS OSZCILLÁTOR STABILITÁSÁNAK HATÁSA A digitális, NCO alapú szabálzó kör által generált órajel stabilitásának és elérhető pontosságának a lokális oszcillátor stabilitása szab gátat. Kevésbé stabil oszcillátor esetén szorosabb szabálzó kör szükséges a szinkronizáltság fenntartásához, ennek következtében viszont a GPS vevő által szolgáltatott PPS jelet terhelő zaj kevésbé csillapítottan jelenik meg a generált órajelben. A PPS jel alapján lehetőség nílik a lokális oszcillátor frekvenciájának becslésére, amel numerikus kompenzációt tesz lehetővé, íg a szabálzó kör tovább lazítható a stabilitás fenntartása mellett a jobb zavarelnomás érdekében. A lokális oszcillátor instabilitása frekvencia csúszás (drift) formájában jelenik meg. Jellemzően a frekvencia időfüggvéne nem tartalmaz meredek változást. Eg konkrét, ppm 5. ábra Lokális oszcillátor 5 ppb amplitúdójú szinuszos frekvenciahibájának hatása numerikus kompenzációval ellátott szabálzási kör hatékonságára
Az eszköz rendelkezik időbélegzést lehetővé tevő részegséggel is, amel a másodpercen belül lehetővé teszi közel ns felbontással külső esemén bekövetkezésének idejét rögzíteni és az időbéleget eg nagsebességű soros adatátvitel segítségével a felhasználási helre továbbítani. VIII. EREDMÉNYEK A minősítő mérés a két GPSDO eszköz PPS jelei közti fázishiba (időhiba) mérése alapján lett elvégezve. 8. ábra, 9. ábra 6. ábra Lokális oszcillátor 5 ppb amplitúdójú szinuszos frekvenciahibájának hatása numerikus kompenzáció nélküli szabálzási kör hatékonságára VII. KÍSÉRLETI ESZKÖZ Az elérhető pontosság és stabilitás valós körülmének közti mérése érdekében eg GPSDO eszköz került kifejlesztésre, két példánban. A két példánra az egmással történő összehasonlítás miatt van szükség. A GPS vevő eg általános célú modul. A szabálzó kör FPGA-ban lett megvalósítva. Az NCO numerikus értékét 1 bites DAC alakítja órajellé, az ezt terhelő determinisztikus (lokális órajel periódusidejéből következő) jitter szűrése fáziszárt hurokban üzemelő hangolható kristál oszcillátor végzi, ennek alkalmazása alacson fáziszajt eredménez. 8. ábra Fázishiba (ns skálázás) másodpercenkénti mintavételezéssel, 1 másodperc 9. ábra Fázishiba diagram eg részlete, 18 másodperc A differenciált fázishiba adatsor alapján megállapítható, hog a legnagobb frekvencia eltérés a két eszköz között 8,33 ppb nagságú, míg a frekvencia különbség szórása, ppb volt. 1. ábra Allan szórás a fázishiba adatsor alapján 7. ábra GPSDO Az eszköz eg 1 MHz frekvenciájú referencia órajelet, valamint eg ezzel szinkron 1 Hz ismétlési frekvenciájú PPS jelet állít elő. Ez utóbbi a GPS PPS jelének jelentősen zavarszűrt változatának tekinthető. 7. ábra Az abszolút idő meghatározását a soros portokon elérhető szabvános GPS NMEA üzenetek, a PPS jel, valamint a 1 MHz frekvenciájú referencia órajel egüttesen teszi lehetővé. 11. ábra Idő szórás a fázishiba adatsor alapján
Az elemzés szerint a frekvencia stabilitás a vizsgálati időablakot növelve javul, az idő szórás közel állandó értékre áll be. A diagramok worst case eredmént adnak, mivel mindkét eszköz zajfolamatai megjelennek bennük. 1. ábra, 11. ábra Hosszú távon a két eszköz között 14 ns szórással jellemezhető fázishiba figelhető meg, amel szórás azonban rövidtávon jelentősen kisebb. Feltételezve a két eszköz fázishibáinak függetlenségét, eg eszközre vonatkoztatva az eges előállított órajelek fázishibája 1 ns szórású. IX. ÖSSZEGZÉS A kifejlesztett demonstrációs eszköz alapján kapott mérési eredmének bizonítják a szimulációs modell jóságát. A lokális oszcillátor stabilitásának ismerete alapján a szimulációs modell segítségével meghatározható a szabálzó optimális paraméterei. Gazdaságossági szempontokat figelembe véve megállapítható, hog eg elkészített GPSDO eszköz költsége összemérhető eg OCXO (Oven Controlled Crstal Oscillator) modul költségével, íg jó alternatíva lehet azon alkalmazásokban is, ahol csupán nag frekvencia stabilitású órajel szükségeltetik. A vizsgált módszer alapján kifejlesztett eszköz lehetővé teszi a különféle elosztott mérőrendszerek eges lokális esemének idejének nag pontosságú mérését. FELHASZNÁLT IRODALOM [1] D.W. Allan, N. Ashb and C.C.Hodge, The Science of Timekeeping Hewlett Packard Application Note 189, June 1997 [] M.S. Grewal, L.R. Weill and A.P. Andrews Global Positioning Sstems, Inertial Navigation, and Integration Wile, 7 (second edition); ISBN 978--47-419-1 [3] E. Potier, TSG, Draft Manual on Multilateration Surveillance ICAO, AERONAUTICAL SURVEILLANCE PANEL (ASP), Working Group Meeting, Montreal, 15 to 19 October 7