Testowanie nawigacji satelitarnej przy wykorzystaniu wektorowego transceivera sygnałów

Firma M3 Systems, mająca siedzibę w Belgii oraz południowo-zachodniej Francji, zajmuje się projektowaniem urządzeń nawigacyjnych i pozycjonujących, służących do zastosowań cywilnych i wojskowych. Gdy podczas konferencji NIWeek w Austin (USA) w sierpniu 2012 roku firma National Instruments zapowiedziała produkcję wektorowego transceivera sygnałów (VST), inżynierowie z M3 Systems doszli do wniosku, że urządzenie to może wesprzeć proces tworzenia narzędzi testujących dla urządzeń nawigacji satelitarnej (GNSS - Global Navigation Satellite System).

Rozwiązanie tego typu dawało szansę na spełnienie rosnących wymagań klientów. Modułowość, elastyczność i wydajność platformy NI oraz duże oprogramowanie LabVIEW w zakresie projektowania interfejsów użytkownika wraz z doświadczeniem M3 Systems w dziedzinie GNSS stanowiły idealną kombinację, która umożliwiła stworzenie atrakcyjnych produktów. W wyniku tak korzystnych okoliczności postanowiono rozpocząć pracę nad projektem Stella-NGC - systemem testowania i walidacji przeznaczonym do symulacji działania GNSS.

Koncepcja symulatora

Rys. 1. LabVIEW wspiera integrację Constellatora z pozostałą wymaganą funkcjonalnością produktu

Celem symulatora jest stworzenie hipotetycznej sytuacji, w której odbiornik "uważa", że porusza się po zdefiniowanej przez użytkownika trajektorii. W tym celu generowane są sygnały wielkich częstotliwości imitujące działanie satelitów wchodzących w skład danej konstelacji GNSS. Istnieje kilka systemów GNSS - najbardziej popularnym jest Global Positioning System (GPS), są jednak jeszcze inne, takie jak europejski Galileo, rosyjski GLONASS oraz BeiDou/COMPASS rozwijany w Chinach.

Sercem symulatora jest tzw. Constellator, który został opracowany we współpracy z francuską agencją kosmiczną CNES. Symuluje on pozycję każdego satelity z wybranej konstelacji. Oprogramowanie LabVIEW zostało użyte w celu łatwej integracji Constellatora z innymi wymaganymi sekcjami projektu, takimi jak moduł definiowania trajektorii, modele atmosferyczne oraz charakterystyka promieniowania anteny.

Użytkownik może wybrać jeden ze zdefiniowanych scenariuszy albo zaimportować własną trajektorię z przeprowadzonych testów lub stworzoną przy użyciu notacji KML (Keyhole Markup Language) - korzystając przykładowo z aplikacji Google Earth.

By dodatkowo podnieść jakość testów i jak najlepiej odwzorować rzeczywiste warunki, do symulacji zostały dodane modele atmosferyczne. Spośród wszystkich warstw atmosfery, dwie mają faktyczny wpływ na dokładność pozycjonowania GNSS. Wyżej położona jonosfera, w której promieniowanie słoneczne jonizuje cząsteczki gazów, wpływa na tłumienie i rozpraszanie sygnałów w.cz. emitowanych przez satelity - zwłaszcza podczas burz słonecznych. Z kolei troposfera, warstwa najniższa, ma istotny wpływ na jakość sygnałów przez zachodzące w niej procesy pogodowe. Implementacja realistycznych modeli atmosferycznych pozwala ocenić dokładność pozycji obliczonej przez testowaną jednostkę.

Rys. 2. Oprogramowanie NI TestStand ułatwia obsługę zautomatyzowanych testów produkcyjnych

Na stworzonym w programie LabVIEW interfejsie użytkownika dodana została ponadto możliwość aktywowania symulacji charakterystyki promieniowania anteny. W rzeczywistości odbiornik może być zaprojektowany do odrzucania sygnału danego satelity w zależności od jego pozycji.

Przykładowo, jeśli satelita znajduje się zbyt blisko horyzontu, słaba jakość sygnału w.cz. oraz jego odbicia od ziemi i budynków mogą skutkować poważnymi błędami w pozycjonowaniu. Rozwiązanie problemu generowania odpowiedniego sygnału nie było jedynym wyzwaniem podczas tworzenia symulatora.

Działanie symulatora w czasie rzeczywistym wymaga dużej mocy obliczeniowej i pełnego wykorzystania możliwości układu FPGA wbudowanego w wektorowy transceiver sygnałów NI PXIe-5644R i odpowiedniej konstrukcji programu w LabVIEW. Rysunek 1 przedstawia architekturę takiego rozwiązania.

Stella-NGC

Rys. 3. Architektura stworzonego rozwiązania

Wykonany na bazie opisanej koncepcji symulator Stella-NGC zdążył już zyskać zainteresowanie klientów. Dzięki LabVIEW można z łatwością uzupełniać jego funkcjonalność oraz bezproblemowo udostępniać aktualizacje użytkownikom. Dodatkowo, oprogramowanie TestStand umożliwia łatwą konfigurację i obsługę testów produkcyjnych, kiedy zajdzie taka potrzeba.

Oczekiwania klientów w zakresie łatwości obsługi, łatwego włączania i wyłączania systemu, wysokiej jakości i mocy sygnałów wielkich częstotliwości oraz odpowiedniej przepustowości i synchronizacji zostały spełnione dzięki możliwościom produktów platformy NI. Cały symulator udało się zmieścić w jednej obudowie, co pozwoliło ograniczyć koszty.

Dzięki wysokiej wydajności wektorowego transceivera sygnałów NI VST, symulator został też rozszerzony o dodatkowe funkcje, takie jak nagrywanie i odtwarzanie, analiza wydajnościowa oraz przetwarzanie sygnałów - by ostatecznie stać się najbardziej kompletnym i efektywnym środowiskiem testowym dla walidacji i homologacji systemów nawigacyjnych.

David Bourdier
M3 Systems
National Instruments Poland Sp. z o.o.
poland.ni.com