YAZILIM TABANLI KÜRESEL KONUM ALICILARI VE KARIŞTIRMA

YAZILIM TABANLI KÜRESEL KONUM ALICILARI VE
KARIŞTIRMA KARŞITI ALGORİTMALAR
SOFTWARE DEFINED GNSS AND ANTI-JAMMING ALGORITHMS
T.C
EGE ÜNİVERSİTESİ
MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ
ELEKTRİK – ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
2015– 2016 ÖĞRETİM YILI LİSANS BİTİRME PROJESİ
Hazırlayan
Can UÇMAK
05-10-202
[email protected]
Proje Danışmanı
Prof. Dr. Korkut YEĞİN
3. Yazılım Tabanlı Küresel Konumlama Aracının Elde Edilmesi
ÖZET
Bu çalışmada yazılım tabanlı küresel konum alıcılarının çalışma yapısı ve uydu sinyallerinin genel yapısı
incelenmiştir. Yazılım tabanlı küresel konum alıcı elde edilmeden önce uydu sinyali çalışılmıştır. Bunun için ilk olarak her
uyduda spesifik olan PRN kodlar oluşturulmuştur. 32 farklı uydu için hazırlanan PRN kodlar yardımı ile C/A kod oluşturulmuş
ve her bir uydunun kimliği elde edilmiştir. Ardından konum bilgisini içeren D code yine aynı yöntemle oluşturulmuş ve son
olarak temsili bir P code elde edilmiştir. İstenilen IF (ara frekans) değerinde modüle edilen sinyaller In-phase ve Quadrature
olarak elde edilip toplanmıştır. Sonuç olarak L1 sinyali başarı ile kaydedilmiştir. İkinci safhada ise Kai Borre’ nin A SoftwareDefined GPS and Galileo Receiver adlı kitabından yararlanılarak, yazılım tabanlı küresel konum alıcı elde edilmiştir. Frontend olmadan sadece kayıtlı uydu sinyallerini .bin formatında işleyebilen alıcı ve ara yüz ile simülasyonlar yapılmıştır. Son
olarak karıştırma karşıtı algoritmalar incelenmiş ve simülasyonlar devam etmektedir. Karşıt algoritmalar, üretilen sinyal ve
alıcı ile prototip elde etmek amacıyla proje devam etmektedir.
AMAÇ VE KAPSAM
Uydu teknolojileri ve haberleşmeleri tüm dünyada en önemli konulardan birisidir. Askeri kullanımının yanında sivil
yaşamda da aktif rol alan küresel konum alıcılar artık donanım tabanlı olmaktan çıkıp yazılım tabanlı hale gelmektedir.
Maliyeti, bakım kolaylığı, karşıt algoritmaların uygulanıp geliştirilebilir olması yazılım tabanlı alıcıların üstünlük sağladığı
konulardandır. Proje kapsamında uydu sinyalini elde edilmesinin yanında yazılım tabanlı konum alıcı oluşturulup, konumlama
algoritması ve karıştırma karşıt algoritmalarının uygulanması hedeflenmektedir.
PROJE ADIMLARI
Yazılım tabanlı küresel konumlama araçları GPS anteni, Sinyal hazırlama (Front-End), Sinyal yakalama (Acquisition),
Sinyal takibi (Tracking) ve konum hesaplama olmak üzere beş temel bileşenden oluşur.
Alıcının performansı, uydudan alıcıya ulaşan sinyalin kayıpsız olmasına ve istenmeyen sinyallerden arınmış olmasına
bağlıdır. GPS antenleri, GPS sinyalleri için uygun frekanstaki ve bant genişliğindeki sinyalleri alıp bunun dışındaki
sinyalleri de baskılayabilmelidir.
Anten ile alınan GPS sinyalinin, GPS alıcısı tarafından işlenebilmesi için güçlendirilip, frekansının düşürülmesi
gerekmektedir. GPS L1 sinyalini antenden alarak 9.548 MHz ara frekansına indiren ve 4 bitlik sayısal veriye çevirme işlemi
sinyal hazırlama safhasıdır.
Alıcıya ulaşan sinyalde, 1575.42 MHz merkez frekanslı ve 2.046 MHz (sinyal yakalama cihazına göre değişebilir)
bantlı bütün sinyaller iç içe geçmiş durumdadır. Sinyal yakalama kısmında; bu sinyalde, hangi uyduların sinyallerinin var
olduğu ve bu sinyallerin hangi taşıyıcı frekansta ve PRN kod kayıklığında geldiği bulunur. Sinyal yakalama kısmı, her uydu
için taşıyıcı frekansın ve kod kayıklığının arandığı iki boyutlu bir arama yöntemi olarak da tanımlanabilir. Bu aramalarda
PRN kodun düşük özilinti özelliğinden yararlanılarak yapılır.
Uyduların yakalanması işlemi esnasında her uydudan gelen sinyalin taşıyıcı frekansı ve PRN (C/A) kod kayıklığı kabaca
bulunur. Takip işleminin amacı bu bilgileri daha hassas bir şekilde bulmak, takip etmek ve sinyaldeki navigasyon bilgisini
çözümlemektir (ve her uydu ile olan sözde mesafeler için bir kestirim yapılmasına olanak sağlamaktır)
Konum hesaplaması GPS alıcılarının son işlemidir. Konum hesaplamaları için uydular ile olan sözde mesafe bilgileri,
efemeris bilgileri kullanılarak bulunan uydu konumları ve zaman bilgilerine ihtiyaç vardır. Bu bilgiler ve en küçük kareler
yöntemi kullanılarak alıcı konumu hesaplanır. Şekil 6 ‘da yazılım tabanlı KKA’nın ayarlar arayüzü görülmektedir. Şekil
7’de ise daha önceden kaydedilmiş bir uydu sinyalinin, Front-End’den geçmiş analizi görülmektedir.
1. L1 Sinyali Yapısı
L1 sinyali içerisinde taşıyıcı sinyal, uydu kimliğini belirten C/A kod, konum verisini içeren D kod ve askeri amaçla
kullanılan ve şifrelenmiş P kodu içermektedir. Şekilde belirtilen kodların 2’li toplam ve konvolusyon ile L1 sinyalini
oluşturması görülmektedir.
Şekil 1: Küresel Konumlama sistemi sinyali
Şekil 6: Yazılım tabanlı KKA için ayarlar menüsü
2. MATLAB-Simulink ile L1 Sinyalinin Elde Edilmesi
Uydu sinyalinin, alıcı cihaza ulaşmadan önce işlenebilecek hale getirilmesi için Front-End adı verilen donanımsal
kısım gereklidir. Uydudan 1575.42 MHz frekansında çıkan analog sinyali alıcının işleyebileceği şekilde ara frekansa (IF)
indirilip, veri içeren bandı korunmalı ve analog sinyalden dijital veri getirilmelidir. Front-End’in donanım maliyetinden
kurtulmak amacı ile bu projede L1 sinyalini ara frekansta (IF) MATLAB programı yardımı ile Simulink ortamında
modelledik.
Şekil 7: Uydudan alınmış sinyalin front-end sonrası yapısı
Sahip olduğumuz uydu sinyal kaydı farklı zamanlarda toplanmış çok sayıda PRN içermektedir. Ayarlar menüsünden
istediğimiz sayıda kanal seçip bu kanalların sinyal takip işlemi yapılabilir. Her uydu için ayrı ayrı PLL ve DLL döngüleri
öncesi ve sonrası gözlemlenebilir.. Sinyal takip işlemi sonrasında ise navigasyon mesajının bitleri yüksek doğrulukta tespit
edilir. Sinyalin işlendikten sonra konum hesaplamasının tamamlanabilmesi için en az 37000 örneklik sinyal uzunluğu
gerekmektedir. 37 saniyeden küçük sinyaller için konum hesaplama mümkün olmamaktadır. Ayrıca konum
hesaplanabilmesi için en az 4 farklı uydudan veri alınmalıdır. Şekil 8 ‘de sekiz farklı kanaldan alınmış PRN numaralarından
birinin sinyal takibi işlemi sonrası navigasyon bilgisi çözümlenmesi görülmektedir. Şekil 9’da ise konum
hesaplama
işleminin sonucu görülmektedir. Yapılan testlerde kanal sayısı arttıkça hata oranının azaldığı ve doğruluk oranının arttığı
gözlenmiştir.
Şekil 2: L1 sinyali simulink modeli
Şekil 8: Tek bir uydu kanalının navigasyon bilgisi çözümlemesi
Şekil 3 de görüldüğü gibi iki adet PN Sequence Generator (gerçekte shift register) çıkışları XOR’lanarak tek bir uydu
için PRN kod elde edilir. PRN kodlar bus yardımı ile bir lookup-table’da saklanır. Şekil 5’de her uydunun kimliğini belirten
PRN kod üretimi için kullanulan shift register değerleri gösterilmektedir. Daha sonra şekil 2’de yer alan counter blokları
yardımı ile istenilen bit rate’de 32x1023 boyutunda bir matriste C/A kod elde edilmiş olur. Şekil 4’de benzer şekilde konum
bilgisini içeren D kodu tablolar yardımı ile 1500 bitten oluşturulur. Ardından sivil kullanımı olmayan P kodu, kare dalga ile
temsil edilerek, Inphase ve Quadrature bileşenler ara frekans değeri olan (IF) yaklaşık 9.548 MHz ‘de modüle edilir. Son
olarak bu iki bileşen toplanıp isteğe bağlı olarak gürültü bloğu eklenir.
Şekil 4: Konum bilgisi üretim bloğu
Şekil 3: C/A kod elde etmek için hazırlanan PRN tablosu
Şekil 5: PRN üretimi için shift register değerleri
Şekil 9: Konum hesaplama işlemi sonucu ve hata grafikleri
Konum hesaplama işlemi sonrasında konum bilgileri koordinat sistemine dönüştürülür. Şekil 9’da gerçek konum ile
tahminlenen konumlar grafik üzerinde gösterilmiş ve enlem, boylam, yükseklik olarak üç boyutlu hata grafikleri çizilmiş,
ortalama hata hesaplanmıştır.
4. Karıştırma Karşıt Algoritmaları
Günümüzde küresel konumlama araçlar sivil alandan askeri alana geniş bir kullanım hacmine sahiptir. Konum belirleme
doğruluğu kullanım alanına göre önem taşımaktadır. Askeri kullanımda, sinyal karıştırıcılar bilgi gizliliği ve güvenliği
açısından önem taşımaktadır. Sivil kullanımda ise günlük yaşamdaki elektromanyetik gürültü uydudan gelen çok zayıf
sinyalleri karıştırabilmekte ve konum hesaplamasında ciddi hatalara sebep olabilmektedir. Konum hesaplamalarındaki
hatanın ortadan kaldırılması yada minimuma indirilmesi yazılım tabanlı alıcılarda, farklı algoritmalar yardımı ile mümkün
olmaktadır. Proje kapsamında LMS, RLS, MVDR ve Blind Antijamming yöntemleri araştırılmaya devam etmektedir.
Simülasyon sonuçları alınana ve uydu sinyali üzerinde uygulanana kadar süreç devam edecektir.
SONUÇ
Yaptığım çalışmalarda sinyal işleme, kontrol, yazılım gibi farklı disiplinler olduğu için MATLAB ve Simulink
programlarını kullandım. Ayrıca MWave gibi programlarda uydu sinyali ile ilgili örnekleri inceledim. Donanım maliyeti ve
zaman kısıtlılığından dolayı gerçek uydu sinyali elde etme işleminden ziyade çalışmalarımı MATLAB ortamında elde ettiğim
sinyal ve önceden kaydedilmiş gerçek uydu sinyalleri üzerinde yaptım. Simulasyon yardımı ile 37 saniyelik tek bir uydu
sinyalinin alınması yaklaşık altı saati bulmaktadır. Ayrıca Simulink programının sinyal kayıt formatı üzerinde çalışmaya
uygun olmadığından en gerçekçi sonuçlar önceden alınmış gerçek uydu sinyalleri ile elde edilmiştir.
Projede bir uydu sinyalinin sıfırdan üretilmesi sağlanmış, yazılım tabanlı küresel konumlama algoritması ve konum
belirleme algoritmaları elde edilmiştir. Karıştırıcı olmadığı durumlarda düşük hata oranı ile konum belirleme işlemi
tamamlamış ve navigasyon mesajı çözümlenmiştir. Farklı karıştırma karşıtı algoritmaları çalışılmış temel prensipleri
öğrenilmiştir. Karşıt algoritmaların simülasyon işlemleri ise sürmektedir.