Диссертация (Исследование характеристик шумоподобных сигналов на многопозиционных поднесущих и разработка алгоритмов их обработки для спутниковых радионавигационных систем), страница 3

Пользовательские приемникиработают только на прием информации, однако современные устройства могутзапрашивать основную информацию по беспроводным сетям передачи данных.В частности, грубые координаты можно получить с учетом положения базовыхстанций сотовых сетей связи. Таким образом, приемник уже заранее “знает”свое расположение на местности, время и осуществляет поиск только определенных спутников.

При этом снижается до нескольких секунд время “холодного” старта. Скорость потока данных у спутников каждой СРНС составляет 50100 бод. Передавать большие объемы информации нет необходимости, так какосновная функция приемника – зафиксировать как можно точнее приход сигнала спутника, рассчитать задержку и, как следствие, расстояние [29,68].11В системе ГЛОНАСС используются навигационные спутники, вращающиеся по круговой орбите на высоте примерно 19000 км. Период обращения спутника вокруг Земли составляет около 12 часов.

Помимо навигационного передатчика в состав аппаратуры в обязательном порядке входит временной синхронизатор на базе цезиевого стандарта частоты [31,44,69].Сегмент наземного комплекса управления СРНС выполняет следующиефункции:эфемеридное и частотно-временное обеспечение;мониторинг радионавигационного поля;радиотелеметрический мониторинг спутников;командное и программное радиоуправление спутниками.Эфемеридное обеспечение спутников означает, что на земле определяютсяпараметры движения спутников и прогнозируются значения этих параметров назаранее определённый промежуток времени. Параметры и их прогноз закладываются в навигационное сообщение, которое передается спутником наряду с передачей навигационного сигнала.

Сюда же входят частотно-временные поправки бортовой шкалы времени спутника относительно системного времени.Американская система GPS и отечественная система ГЛОНАСС аналогичны по своим функциональным возможностям. Их основное назначение - высокоточное определение координат потребителя, составляющих вектора скорости,и привязка к системной шкале времени. Аналогично отечественной, системаGPS разработана для Министерства Обороны США и находится под его управлением [10,22]. Как и система ГЛОНАСС, GPS состоит из космического сегмента, наземного командно-измерительного комплекса и сегмента потребителей. Орбитальная группировка GPS состоит из 28 навигационных космическихаппаратов.

Все они находятся на круговых орбитах с периодом обращения вокруг Земли, равным 12 часам. Высота орбиты каждого спутника равна ~ 2000км. Космические аппараты системы GPS проходили ряд усовершенствований,которые сказывались на их характеристиках в целом. В табл.1.1 приведенысравнительные характеристики систем ГЛОНАСС и GPS [29,67].12Таблица 1.1. Сравнительные характеристики систем ГЛОНАСС и GPSПоказательГЛОНАССGPSЧисло КА в полной орбитальной 24группировке24Число орбитальных плоскостей36Число КА в каждой плоскости84Наклонение орбиты64,8º55ºВысота орбиты, км19 13020 180Период обращения спутника11 ч. 15 мин.

44 с11 ч. 58 мин. 00 сМетод доступаFDMACDMA1598,0625—1604,257/9 L11575,4260/77 L1ПравосторонняяПравосторонняяНесущаяL1L2частота:ПоляризацияТип псевдошумовой последователь- m-последовательность код ГолданостиЧислоC/APэлементовкода:51151 100010232,35x10140,5115,111,02310,23Скорость передачи, бит/с5050Вид модуляцииBPSK (Манчестер)BPSK NRZСкоростьC/APкодирования,Мбит/с:Структура и рабочие частоты навигационных радиосигналов ГЛОНАССВ системе ГЛОНАСС используется частотное разделение сигналов (FDMA),излучаемых каждым спутником - двух фазоманипулированных сигналов.

Частота первого сигнала лежит в диапазоне L1 ~ 1600 МГц, а частота второго - в диапазоне L2 ~ 1250 МГц. Номинальные значения рабочих частот радиосигналов,передаваемых в диапазонах L1 и L2, определяются выражениями [29,31]:fk1 = f1 + k f1fk2 = f2 + k f2 k = 0,1,...,24,(1.1)13где k = 0,1,...,24 - номера литеров (каналов) рабочих частот спутников;f1 = 1602 МГц; f1 = 9/16 = 0,5625 МГц;f2 = 1246 МГц; f2 = 7/16 = 0,4375 МГц.Структура и рабочие частоты навигационных радиосигналов системы GPSВ системе GPS используется кодовое разделение сигналов (СDMA), поэтому все спутники излучают сигналы с одинаковой частотой. Каждый спутник системы GPS излучает два фазоманипулированных сигнала.

Частота первого сигнала составляет L1 = 1575,42 МГц, а второго - L2 = 1227,6 МГц. Сигнал несущей частоты L1 модулируется двумя двоичными последовательностями, каждаяиз которых образована путём суммирования по модулю 2 дальномерного кода ипередаваемых системных и навигационных данных, формируемых со скоростью50 бит/с. На частоте L1 передаются две квадратурные компоненты, бифазно манипулированные двоичными последовательностями.

Первая последовательность является суммой по модулю 2 точного дальномерного кода Р- кода илизасекреченного кода Y и навигационных данных. Вторая последовательностьтакже является суммой по модулю 2 грубого С/A (открытого) кода и той же последовательности навигационных данных. Каждый спутник использует свойственные только ему дальномерные коды С/A и Р(Y), что и позволяет разделятьспутниковые сигналы. В процессе формирования точного дальномерного Р(Y)кода одновременно формируются метки времени спутникового сигнала[28].Определение координат потребителяДля определения координат потребителя необходимо знать координатыспутников (не менее 4) и дальность от потребителя до каждого видимого спутника. Для того, чтобы потребитель мог определить координаты спутников, излучаемые ими навигационные сигналы модулируются сообщениями о параметрах их движения.

В аппаратуре потребителя происходит выделение этих сообщений и определение координат спутников на нужный момент времени. Координаты и составляющие вектора скорости меняются очень быстро, поэтому сообщения о параметрах движения спутников содержат сведения не об их координатах и составляющих вектора скорости, а информацию о параметрах некоторой модели, аппроксимирующей траекторию движения КА на достаточно14большом интервале времени (около 30 минут). Параметры аппроксимирующеймодели меняются достаточно медленно, и их можно считать постоянными наинтервале аппроксимации.Как было сказано выше, для определения координат потребителя необходимо знать координаты спутников (не менее 4) и дальность от потребителя докаждого видимого спутника.

Каждый спутник можно представить в виде точечного излучателя. В этом случае фронт электромагнитной волны будет сферическим. Точкой пересечения двух сфер будет та, в которой находится потребитель. Высота орбит спутников порядока 20000 км.

Следовательно, вторую точкупересечения окружностей можно отбросить на основе априорных сведений, таккак она находится далеко в космосе [28].Дифференциальный режимСпутниковые навигационные системы позволяют потребителю получитькоординаты с точностью порядка 5-10 м. Однако для многих задач, особеннодля навигации в городах, требуется большая точность. Один из основных методов повышения точности определения местонахождения объекта основан наприменении известного в радионавигации принципа дифференциальных навигационных измерений [28].Дифференциальный режим позволяет установить координаты с точностьюдо 3 м в динамической навигационной обстановке и до 1 м - в стационарныхусловиях. Дифференциальный режим реализуется с помощью контрольногоприёмника, называемого опорной станцией.

Она располагается в пункте с известными координатами, в том же районе, что и основной приёмник. Сравниваяизвестные координаты (полученные в результате прецизионной геодезическойсъёмки) с измеренными, опорная станция вычисляет поправки, которые передаются потребителям по радиоканалу в заранее оговоренном формате.Аппаратура потребителя принимает от опорной станции дифференциальныепоправки и учитывает их при определении местонахождения потребителя. Результаты, полученные с помощью дифференциального метода, в значительнойстепени зависят от расстояния между объектом и опорной станцией. Применение этого метода наиболее эффективно, когда преобладающими являются систематические ошибки, обусловленные внешними (по отношению к приёмнику)15причинами. По экспериментальным данным, опорную станцию рекомендуетсярасполагать не далее 500 км от объекта.В настоящее время существует множество широкозонных, региональных илокальных дифференциальных систем. В качестве широкозонных стоит отметить такие системы, как американская WAAS, европейская EGNOS и японскаяMSAS.

Эти системы используют геостационарные спутники для передачи поправок всем потребителям, находящимся в зоне их покрытия.Региональные системы предназначены для навигационного обеспечения отдельных участков земной поверхности. Обычно региональные системы используют в крупных городах, на транспортных магистралях и судоходных реках, впортах и по берегу морей и океанов. Диаметр рабочей зоны региональной системы обычно составляет от 500 до 2000 км. Она может иметь в своём составеодну или несколько опорных станций.Локальные системы имеют максимальный радиус действия от 50 до 220 км.Они включают обычно одну базовую станцию. Локальные системы обычно разделяют по способу их применения: морские, авиационные и геодезические локальные дифференциальные станции [28,29,44].1.2. Структуры шумоподобных сигналов, применяемых в СРНСТак как сигнал от спутника до потребителя проходит примерно 20 000 км,необходимо накапливать его энергию в течение значительного времени порядкадесятков микросекунд [64,70].

В результате этого приемник обнаруживает сигнал КА, даже тогда, когда отношение сигнал/шум на его входе существенноменьше единицы. В настоящее время применяются двоичные фазоманипулированные (ФМн) сигналы, для формирования которых используются ПСП. Это,как правило, бинарные М-последовательности (МП) и подобные им, построенные с помощью регистров сдвига [30,62,72,74,75,90].МП может быть сформирована системой, состоящей из регистра сдвига,сумматоров и контура обратной связи (рис.1.1). Длина МП составляет M  2 n  1 ,гдеn – количество ячеек памяти в регистре сдвига, 2 – количество символов валфавите МП. Значокв схемах обозначает сумматор по mod 2.16Рис.1.1.

Структурная схема генератора МП.Рассмотрим генератор МП, состоящий из n=4 ячеек памяти и k=1 сумматоров по mod 2 (рис 1.2). Работа генератора осуществляется следующим образом: с каждым новым тактом генератора (тактового генератора) содержимоерегистра сдвигается на одну позицию вправо, а содержимое ячеек 3 и 4суммируется по mod 2. Результат суммирования по обратной связи подается на ячейку 1. Итоговая последовательность – это то, что формируется на выходе из ячейки 4.