05. Структура сигналов и сообщений СРНС

5 Структура сигналов и сообщений СРНС.При выборе типов и параметров сигналов, используемых в СРНСнеобходимо учитывать комплекс требований и условий, подчас противоречащих друг другу. Прежде всего, эти сигналы должны обеспечивать высокую точность измерения времени прихода (задержки) сигнала и его доплеровской частоты и высокую вероятность правильного декодированиянавигационного сообщения. Для того, чтобы сигналы отдельных спутников надежно различались АП, они должны иметь низкий уровень взаимной корреляции.

Кроме того, сигналы СРНС должны наилучшим образомиспользовать отведенную полосу частот при малом уровне внеполосногоизлучения, обладать высокой устойчивостью к преднамеренным и непреднамеренным помехам различных видов.Удовлетворить эти требования удается только при использованиисложных сигналов, база которых (произведение полосы на длительность)превышает единицу. В качестве таковых в обеих рассматриваемых СРНСиспользуются сигналы с псевдослучайной фазовой манипуляцией. Имеющиеся различия в видах модулирующих ПСП, методе разделения сигналовНКА и способах передачи навигационного сообщения описаны ниже.5.1.Физические параметры сигналов ГЛОНАССВсе сигналы, излучаемые НКА ГЛОНАСС, привязаны к следующей сетке частот, формируемой общим синхронизатором.F1F25 МГц 200 КГцF350 КГцF4F5F6F710 КГц1 КГц100 Гц50 ГцF8F910 Гц 1ГцF10F111/60 Гц1/1800ГцСигнал F1 является синусоидальным, остальные сигналы – импульсные.Отметим, что для того, чтобы частота сигнала F1 составляла ровно15МГц для наземного наблюдателя, на борту, с целью компенсации релятивистского «замедления» времени, возникающего при движении НКА поорбите, эта частота смещена на величину  F=-2,18  10-3 Гц.

т.е. составляет 4,99999999782 Гц, .Оцифровка отсчетов времени производится 32-разрядным последовательным кодом с тактовой частотой 100 Гц..В СРНС ГЛОНАСС применен частотный метод разделения сигналов различных НКА: каждый из них использует свою пару литерныхчастот, одна из которых принадлежит диапазону L1, другая - диапазону L2[114].На этапе проектировании для СРНС ГЛОНАСС был принят следующий способ определения номинальных значений несущих частот вверхнем (индекс ”1”) и нижнем (индекс ”2”) диапазонах:f1,k =f1,0 +kf1 ; f1,0 =1602,0000 МГц; f1 =0,5625 МГц;f2,k =f2,0 + kf2 ; f2,0=1246,0000 МГц; f2 =0,4375 МГц;f1,k / f2k=9/7,где k- литера (условный порядковый номер) пары несущих частотf1,k и f2k в диапазонах L1и L2.При этом крайним значениям литер k=1, 24 соответствовали следующие значения несущих частот:f1,1=1602,5625 МГц; f1,24 =1615,5000 МГц;f2,1 =1246,4375 МГц; f2,24=1256,5000 МГц.Однако, поскольку в непосредственной близости от рабочих частотГЛОНАСС располагаются рабочие частоты систем спутниковой радиосвязи (полосы частот 1559,0...1610,0 МГц и 1215,0...1260,0 МГц), воздушнойрадионавигации (полоса частот 1559,0...1626,5 МГц), а также выделеннаядля нужд радиоастрономии полоса частот 1610,6...1613,8 МГц, план использования радиочастот в интересах ГЛОНАСС в дальнейшем пересматривался.2В частности, было учтено, что даже при полном составе орбитальной группировки (24 НКА) для подавляющего большинства потребителей(сухопутных, морских, воздушных) взоне радиовидимости не можетнаходиться более 12 НКА.

Поэтому в целях сокращения ширины диапазона, занимаемого сигналами СРНС ГЛОНАСС, в 1993г. было приняторешение для взаимноантиподных (находящихся в диаметрально противоположных точках орбиты) НКА использовать одинаковые литерные частоты, число которых в каждом диапазоне частот сокращено до 12.

Приэтом в 1998…2005 гг. используются литеры несущих частот k =1...12, а с2005г. должен начаться переход на литеры k=-7...4 [114].Совпадение литерных частот взаимно-антиподных НКА должноучитываться в тех случаях, когда АП используется на других КА, высотаорбиты которых позволяет одновременно "видеть" антиподные НКА. Дляразделения сигналов в этих ситуациях должна использоваться пространственная (за счет формы диаграммы направленности антенны АП), а такжедоплеровская селекция сигналов. Возможность такой селекции следует изтого, что для наземных объектов доплеровский сдвиг, обусловленный собственным движением НКА, может иметь максимальные значения ±5 кГц,а для низкоорбитальных космических объектов - до ±40 кГц., при этом доплеровский сдвиг частоты для антиподных НКА всегда имеет противоположный знак.Эффективная излучаемая мощность сигнала в канале L1 составляет30 ВТ, по каналу L2 – 21 Вт.

При этом мощность сигнала НКА, принимаемого изотропной линейно поляризованной антенной с коэффициентомусиления +3 дБ, расположенной на земной поверхности, в наихудшемслучае (угол места НКА менее 50 ) составляет:не менее -161 дБВт для диапазона L1;не менее -167 дБВт для диапазона L2.Суммарные потери, связанные с неидеальностью процедур модуляции в передатчике НКА и согласованной фильтрации в приемнике по-3требителя для частотных каналов с индексами -7 и +12, т.е.

на краях рабочего диапазона, не превышают 0.8 дБ.Спектральная плотность фазовых шумов немодулированной несущей удовлетворяет следующему условию: схема слежения за фазой, имеющая одностороннюю шумовую полосу 10 Гц, обеспечивает погрешностьслежения за фазой несущей не хуже 0,1 радиан (СКО). Нетрудно рассчитать, что потенциальная точность дальномерных фазовых измеренийпри этом составляет примерно 1,5% от длины волны, т.е.

порядка 3мм.Мощность внеполосного (за пределами полос шириной 0,511 МГц)излучения для диапазонов частот L1, L2 не превышает -40 дБ относительно мощности немодулированной несущей.Нормальные условия работы СРНС предполагают одновременныйприем сигналов от четырех и более НКА.

Очевидно, что с точки зренияоптимальной обработки сигнала каждого НКА, сигналы всех других НКАобразуют внутрисистемную помеху. В ГЛОНАСС ширина спектра сигнала и разнос литерных частот каналов выбраны таким образом, что в рабочую полосу каждого канала могут попасть только боковые лепесткиспектра другого сигнала. Ихуровень составляет - 48дБ относительноглавного лепестка, что существенно меньше, чем для СРНС GPS (см. ниже).На точность измерений влияет групповая задержка сигнала в бортовой аппаратуре НКА, т.е.

задержка между сигналом на выходе бортового стандарта частоты и излучаемым сигналом (измеряется в фазовом центре антенны). Она включает в себя постоянную и случайную составляющие. Данные о величине постоянной составляющей передаются в составеНИ и может быть устранена в аппаратуре потребителя. Некомпенсируемаяслучайная составляющая не превышает 8 нс.Излучаемый сигнал имеет правую круговую поляризацию. В секторе  190 относительно оси симметрии диаграммы направленности передающей антенны коэффициент эллиптичности по полю не хуже 0,7.4Спектр мощности навигационного радиосигнала практически полностью определяется наивысшей тактовой частотой модулирующей последовательности. Для используемых в ГЛОНАСС сигналов стандартнойточности («СТ-код», подробнее см.

ниже) ширина основного "лепестка"огибающей спектра мощности радиосигнала, равна 1,022 МГц, а для сигналов высокой точности «ВТ- код» - 10,22 МГц. (см. рис. 5.1)Рис.5.15.2. Структура навигационных сигналов и навигационных сообщений ГЛОНАСС.Состав информации и структура навигационных сигналов, передаваемых в диапазонах L1 и L2, несколько различаются, поэтому мы подробно рассмотрим сигнал диапазона L1, а затем коротко рассмотримособенности диапазона L2 .В диапазоне L1 излучаемый сигнал подвергается ОФМ на  двумяПСП - ПСП1 и ПСП2. Ортогональность, т.е. отсутствие взаимного влияния при передаче ПСП1 и ПСП2 обеспечивается благодаря их сдвигу пофазе несущей на 900.ПСП1 образуется сложением по модулю 2 трех двоичных сигналов5• дальномерного кода стандартной точности (СТ), представляющегособойпоследовательностьмаксимальнойдлины(М-последовательность) с тактовой частотой 511 кГц и периодом 1 мс; (иногда в литературе для обозначения этого кода используется аббревиатураПТ- код, т.е.

код пониженной точности).• двоичного сигнала навигационной информации (НИ) с тактовойчастотой 50 Гц, передаваемого с помощью ОФМ в виде строк длительностью 2с;• сигнала тактовой синхронизации в виде меандра с частотой 100Гц.Принцип формирования модулирующей последовательности поясняется рис. 5.2Рис. 5.2. Принцип формирования модулирующей последовательности.Рассмотрим более подробно принцип формирования каждой из еесоставляющих.Дальномерныйкод.ОбразующийполиномМ-последовательности СТ-кода имеет вид Gд(x)=1  x5  x9.6Схема формирования дальномерного кода показана на рис. 5.3., авременная диаграмма, поясняющая его работу, на рис.