Разработка новых навигационных радиосигналов ГЛОНАСС с кодовым разделением в выделенных диапазонах частот

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ2014, том 1, выпуск 1, c. 61–67ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИУДК 629.78Разработка новых навигационныхрадиосигналов ГЛОНАСС с кодовым разделениемв выделенных диапазонах частотА. А. Поваляев1 , Р. В. Бакитько212д.

т. н., ОАО «Российские космические системы»к. т. н., ОАО «Российские космические системы»e-mail: povalyaev_aa@rniikp.ruАннотация. В настоящее время глобальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС проходит этап глубокой модернизации. Вводятся новые навигационные сигналы с кодовым уплотнением и разделением, обладающиерядом преимуществ перед используемыми в ГЛОНАСС сигналами с частотным уплотнением и разделением.В статье рассматриваются исходные ограничения и требования на разработку новых навигационных сигналовГЛОНАСС с кодовым разделением, обсуждаются способы преодоления трудностей, связанных с необходимостьюразмещения на одной несущей частоте более двух навигационных сигналов, и приводятся окончательные решения.Ключевые слова: ГЛОНАСС, навигационные сигналы с кодовым уплотнением, сигналы с частотным уплотнением/разделениемDevelopment of New Navigation GLONASSRadio Signals with Code Divisionwithin the Dedicated Frequency BandsA.

A. Povalyaev1 , R. V. Bakitko212doctor of engineering science, Joint Stock Company “Russian Space Systems”candidate of engineering science, Joint Stock Company “Russian Space Systems”e-mail: povalyaev_aa@rniikp.ruAbstract. Nowadays the global navigation satellite system GLONASS is running at the phase of deep upgrading.New navigation signals with code multiplexing/division, which surpass GLONASS signals with frequency multiplexing/division, having been put into service.

The initial limitations and requirements for the development of newnavigation GLONASS signals with the code division are considered in the paper. The particular attention has beenpaid to the means of overcoming the difficulties caused by necessity of placing the more than two navigation signalsat the same carrier frequency. The final solutions are presented.Key words: GLONASS,navigation signals with code multiplexing, signals with frequency multiplexing/division62А. А. ПОВАЛЯЕВ, Р.

В. БАКИТЬКОКак известно, в настоящее время полностью развернуты и успешно функционируют двеглобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС) — американская GPS и российскаяГЛОНАСС. Находятся в стадии развития еще двесистемы — европейская ГНСС Galileo и китайскаяCompass (BeiDou).Все перечисленные ГНСС, за исключениемГЛОНАСС, используют кодовое уплотнение/разделение навигационных сигналов, т. е. каждый спутник системы передает уникальный дальномерный код на одной и той же несущей частоте. В ГЛОНАСС используется частотное уплотнение/разделение навигационных сигналов, прикотором все спутники системы передают одини тот же дальномерный код, излучаемый наразных несущих частотах. В принципе, такой способ уплотнения/разделения нельзя считать чисто частотным, поскольку спектры сигналов разных спутников ГЛОНАСС сильно перекрываются.На этапе проектирования и начальных стадийразвертывания систем GPS и ГЛОНАСС в конце 80-х–начале 90-х годов прошлого века, когдаточность систем GPS и ГЛОНАСС декларировалась на уровне, не превышающем 100 м по горизонтальным координатам и 150 м по высоте [1],и предполагалось, что количество спутников в орбитальных группировках не превысит 24, кодовый и частотный методы уплотнения/разделениянавигационных сигналов представлялись примерноэквивалентными.

Однако в процессе дальнейшегоразвития систем GPS и ГЛОНАСС, повышения ихточности до единиц и даже долей метра, увеличения количества спутников в орбитальной группировке до 30 с целью поддержания геометрическогофактора не ниже заданного уровня при выходе части спутников из строя, появления псевдофазовыхизмерений, позволяющих обеспечивать местоопределения с ошибками в сантиметры и даже миллиметры, стало все более проявляться преимуществокодового метода уплотнения/разделения навигационных сигналов.Кодовый метод уплотнения/разделения позволяет более эффективно использовать выделеннуюполосу частот, так как при этом спектр сигналакаждого спутника занимает всю полосу выделен-ных частот, а в это же время при частотном разделении спектр сигнала каждого спутника занимает только часть выделенной полосы. При кодовомуплотнении/разделении в выделенной полосе можноразместить значительно большее число навигационных сигналов при том же уровне их взаимныхпомех.

Это свойство является особенно важнымв связи с тем, что в будущем с целью улучшенияточности местоопределений в полярных областяхи на территории Российской Федерации в орбитальную группировку могут быть введены дополнительные навигационные спутники с полярными,высокоэллиптическими и геосинхронными орбитами. Это потребует размещения в полосах частот,выделенных ГЛОНАСС, навигационных сигналов,количество которых может значительно превыситьцифру 30. Используемый же в ГЛОНАСС методчастотного уплотнения/разделения позволяет разместить в полосах частот, выделенных ГЛОНАСС,в настоящее время, не более 30 навигационныхсигналов.Заметны преимущества кодового методауплотнения/разделения навигационных сигналовпо сравнению с частотным проявляются при обработке высокоточных псевдофазовых измерений.При проектировании систем GPS и ГЛОНАССпредполагалось, что навигационные приемникибудут осуществлять измерения псевдодальностейи псевдодоплеровских смещений частот несущихколебаний навигационных сигналов.

По измерениям псевдодальностей предполагалось определятьместоположение и время, а по измерениямпсевдодоплеровских смещений — составляющиевектора скорости и скорость смещения шкалывремени навигационного приемника относительношкалы системы. Именно так было на начальнойстадии эксплуатации систем GPS и ГЛОНАСС.Однако в начале 80-х годов прошлого векав США [2] было осознано, что помимо измеренийпсевдодальностей и псевдодопреровских смещенийчастот несущих колебаний навигационных сигналов возможно также проведение так называемыхвысокоточных псевдофазовых измерений, представляющих собою разность между полной фазойнесущего колебания, сформированного в навигационном приемнике, и полной фазой принимаемогоим несущего колебания.РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 1 вып.

1 2014РАЗРАБОТКА НОВЫХ НАВИГАЦИОННЫХ РАДИОСИГНАЛОВ ГЛОНАССОсобенностью псевдофазовых измерений является их неоднозначность, сильно осложняющаяобработку этих измерений. Однако эту неоднозначность можно преодолеть и тогда точность местоопределений на основе обработки псевдофазовых измерений становится настолько высокой,что начинает проявляться влияние задержек внутри аппаратуры навигационного приемника. В связи с тем, что сигналы с кодовым уплотнением/разделением излучаются всеми спутниками наодной и той же несущей частоте, их задержки в аппаратуре навигационного приемника являются одинаковыми.

Это значительно упрощает обработкупсевдофазовых измерений GPS и снижает влияниеаппаратурных задержек на точность местоопределений с их использованием. В связи с тем, чтосигналы с частотным уплотнением/разделением излучаются спутниками на разных несущих частотах, их задержки в аппаратуре навигационногоприемника различаются, что усложняет обработку псевдофазовых измерений в ГЛОНАСС.

Приэтом точность местоопределений при использовании псевдофазовых измерений в ГЛОНАСС резкоповышается и характеризуется ошибками порядкасантиметра, хотя она все же примерно раза в полтора хуже, чем в GPS.Проводимая в настоящее время модернизация системы ГЛОНАСС направлена прежде всего на введение в состав излучаемых ее спутниками навигационных сигналов с кодовым уплотнением/разделением.Рассмотрим вначале структуру новых сигналовГЛОНАСС с кодовым разделением.

При их разработке основными требованиями были:• расположение спектров новых сигналов в выделенных для системы ГЛОНАСС диапазонах частот: L1 (1592,9–1610 MHz) с полосой 17,1 МГц, L2 (1237,8–1256,8 MHz) с полосой 19 МГц и L3 (1190,35–1212,23 МГц) с полосой 21,88 МГц;• возможно более низкая спектральная плотность мощности внеполосного излучения сигналов ГЛОНАСС в радиоастрономическом диапазоне 1610,6–1613,8 МГц;• совместимость с другими ГНСС;• взаимодополняемость с другими ГНСС.63Помимо исходных требований, при разработкеновых сигналов с кодовым разделением учитывалась необходимость размещения в диапазонах частот L1, L2 гражданских сигналов и сигналов санкционированного доступа, а также учитывались современные тенденции в развитии навигационныхсигналов.

Эти тенденции предполагают введениетак называемого пилот-сигнала, немодулированного символами навигационного сообщения, в дополнение к ранее использовавшемуся сигналу данных,модулированному этими символами. Введение дополнительного пилот-сигнала позволяет проводитьизмерения по более слабым сигналам.Все это порождало необходимость размещения в каждом из диапазонов L1, L2 болеедвух бинарных сигналов. В старых сигналах GPSи ГЛОНАСС, излучавшихся первыми поколениями спутников ГЛОНАСС и GPS, в каждом издвух диапазонов L1, L2 использовались только двабинарных навигационных сигнала данных в виде модулированных навигационными сообщениямигражданских дальномерных кодов и дальномерныхкодов санкционированного доступа. Эти коды модулируют по фазе на ±180◦ две квадратуры несущего колебания, в результате чего амплитуда суммарного сигнала, предназначенного для усиленияи дальнейшего излучения, получается постоянной.Постоянство амплитуды суммарного сигнала является принципиально важным для эффективнойработы выходного бортового усилителя мощности.Но в этом режиме коэффициент полезного действия выходного усилителя резко падает по сравнению с режимом насыщения, требующем постоянства амплитуды усиливаемого сигнала.Размещение (уплотнение) на двух квадратурахболее двух бинарных сигналов приводит к изменению амплитуды их суммы и, следовательно, резкоснижает эффективность работы выходного усилителя мощности.Известны два метода преодоления этой проблемы.

Первый метод — это временное уплотнение пилот-сигнала и сигнала данных, впервыеиспользованное в сигнале L2C GPS. При временном уплотнении чипы (элементарные символы)дальномерных кодов пилот-сигнала и сигнала данных перемежаются по времени. Временное уплотнение является удобным для объединения двухРАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 1 вып. 1 201464А.

А. ПОВАЛЯЕВ, Р. В. БАКИТЬКОРис. 1. Структура сигналов системы ГЛОНАСС с кодовым разделением в диапазонах L1, L2, L3родственных сигналов, таких как пилот-сигнали сигнал данных.Второй метод — это применение многокомпонентной фазовой модуляции (МКФМ) [3, 4].

Основное достоинство МКФМ заключается в том, чтокаждая компонента входного МКФМ-сигнала воспринимается на выходе коррелятора навигационного приемника как единственная из присутствующих на его входе. Все остальные компоненты в корреляторе подавляются. Однако недостатком методаМКФМ-уплотнения навигационных сигналов являются ∼ 15 % потери мощности излучаемого сигнала в навигационном приемнике. По этой причинедля уплотнения пилот-сигналов и сигналов данныхна каждой из квадратур несущего колебания припроектировании новых сигналов ГЛОНАСС с кодовым разделением был выбран временной метод, т. е.перемежение чипов дальномерных кодов пилот-сигналов и сигналов данных на каждой из квадратур.Структура сигналов системы ГЛОНАСС с кодовым разделением в диапазонах L1, L2, L3 показана на рис.

1.Спектры гражданских сигналов ГЛОНАССс кодовым разделением, разработанные в соответствии с вышеизложенными требованиями, представлены в табл. 1.В диапазоне L1 разработка сигнала веласьв выделенной ограниченной полосе 17,1 МГц.Помимо этого, существенными факторами, определившими выбор сигнала в диапазоне L1, являлись: выбор несущей частоты 5,115 × 313 == 1600,995 МГц, кратной 5,115 МГц, для совместимости со всеми существующими и развертываемыми в настоящее время зарубежными ГНСС,а также необходимость обеспечения очень низкойплотности потока мощности внеполосного излучения ГЛОНАСС в полосе радиоастрономии (1610,6–1613,8 МГц), которая вплотную примыкает справак диапазону L1 ГЛОНАСС.