Сигналы СНС GPS

Сигналы радионавигационной системы GPSР-код, основной дальномерный код, индивидуальный для каждого НКА: Pi(t), где i индивидуальный номер НКА. Pi(t) представляет собой последовательность длиной 7 дней, соскоростью передачи 10,23 Мб/с. Эта последовательность формируется сложением по модулю2 двух подпоследовательностей, обозначаемых, как Х1 и Х2i, их длина соответственно15,345,000 и 15,345,037 элементов.

Последовательность Х2i формируется изпоследовательности Х2 избирательной задержкой на длительность от 1 до 37 элементов.Y-код, применяемый вместо Р-кода при включении режима предотвращенияпреднамеренных помех и несанкционированного доступа к информации A/S (Antispoofing).Y-код представляет собой закрытый Р-код, доступый для расшифровки тольколицензированными пользователями, имеющими соответствующий ключ.

Поэтому Y-кодпринято обозначать как P(Y) код.Открытый код С/А (Coarse/Acquisition, "грубый захват"), который сначалаиспользовался лицензированными пользователями для первичного вхождения в режимслежения и последующего захвата точного Р или P(Y) кода. Сейчас код С/А находится враспоряжении мирового сообщества для использования в целях позиционирования.Таблица 1. Набор кодовых последовательностейНомерНКАНомерПСП123456789101112131415161718192021222324123456789101112131415161718192021222324Определение кодовойпоследовательностиЗадержка кода,разрядовС/А (G2i)(X2i)С/АP2⊕6З⊕74⊕85Ф91⊕92⊕101⊕82⊕9З⊕102⊕ЗЗ⊕45⊕66⊕77⊕88⊕99⊕101⊕42⊕5З⊕64⊕75⊕86⊕91⊕34⊕6123456789101112131415161718192021222324567817181391401412512522542552562572584694704714724734745095121234567891011121314151617181920212223241Первые 10разрядоввосьмеричного* кодаC/A144016201710174411331455113114541626150416421750176417721775177611561467163317151746176310631706Первые 12разрядоввосьмеричного P-кода4444400042224333437743554344434043424343IIIIIIIIIIIIII2526272829303132***************25262728293031323334**353637**5⊕76⊕87⊕98⊕101⊕62⊕73⊕84⊕95⊕104⊕101⊕72⊕84⊕1025262728293031323334353637513514515516859860861862863950947948950252627282930313233343536371743176117701774112714531625171217451713113414561713IIIIIIIIIIII4343Кодовые последовательности образуют однозначные неразделимые пары, состоящие изсоответствующих С/А и Р последовательностей.Физические параметры радиосигналов GPSСигналы L-каналов излучаются в пределах двух полос шириной 20,46 МГц сцентральными частотами L1 и 12.

Несущие частоты для каналов L1 и L2 когерентноформируются из одного источника опорной частоты на борту НКА. С точки зренияназемного наблюдателя номинальная частота этого источника составляет 10,23 МГц.Частота канала L1 соотносится с частотой бортового источника f0, как L1 = 154 f0, ачастота L2 = 120 f0. В соответствии с релятивистской поправкой, на борту НКАформируются частоты L1s=1575,41999929622 МГц и L2s= 1227,5999994516 МГц, которые сточки зрения наземного потребителя соответствуют L1 = 1575,42 МГц и L2= 1227,6 МГц.Таблица 2. Составные фазы излучаемого сигнала L1Номинальные значениясоставной фазы, град0-70,5+109,5180Двоичные состоянияР0101С/А0011Мощность принимаемого сигнала.

Гарантированная мощность принимаемогопотребителем сигнала на выходе линейно поляризованной антенны с коэффициентомусиления +3 дБ, расположенной на поверхности Земли, для наихудшего случая (уголспутника над горизонтом равен 5°) указана в таблице 3.Таблица 3. Гарантированная мощность сигналов в диапазонах L1 и L2КаналL1L2С/А-160,0 дБ⋅ВтP(Y)-163,0 дБ⋅Вт-166,0дБ⋅Вт2Формирование кодовых последовательностейРисунок 1. Генерация кодов и модулирующих сигналовСтруктура кодовых последовательностей. Двоичная кодовая последовательность Pi(t)формируется суммированием по модулю 2 двух псевдослучайных последовательностей X1(t)и X2(t-iT), где T = 1/(1,023*107)с - период следования разрядов P-кода, i - целое число винтервале от 1 до 37, соответствующее номеру НКА.Линейная последовательность Gi(t) является результатом сложения по модулю 2 двух1023-битовых линейных последовательностей G1 и G2. Вторая последовательностьизбирательно задерживается на целое число разрядов, как показано в табл.

1, дляформирования 36 уникальных последовательностей G(t).Формирование Р-кода. Псевдослучайная последовательность Рi является суммой помодулю 2 двух последовательностей Х1 и X2i тактируемых с частотой 10,23 МГц. В своюочередь, Х1 формируется сложением по модулю 2 выходных сигналов двух 12-разрядныхрегистров сдвига (Х1А и Х1В) генерирующих сокращенные кадры длиной 4092 и 4093 битсоответственно. Когда число кадров Х1 достигает 3750, генерируется признак конца эпохиХ1.

Эпоха Х1 генерируется каждые 1,5 с, когда сформирована последовательность Х1 из15,345,000 разрядов. Образующие полиномы для последовательностей Х1А и Х1В,относящиеся к соответствующим регистрам сдвига, имеют вид:(Х1А) 1 +Х6 + Х8 + Х11+Х12;(Х1В) 1+Х1+Х2 + Х5 + Х8 + Х9 + Х10 + Х11+Х12.Упрощенные схемы формирования кодовых последовательностей при помощи регистровсдвига показаны на рис. 2, 3, 4 и 5.3Рис. 2. Формирование последовательности Х1АРис. 3. Формирование последовательности Х1ВРис. 4.

Формирование последовательности Х2АВ начале каждой эпохи Х1, сдвиговый регистр XIА инициализируется кодовым вектором001001001000 и сдвиговый регистр Х1В инициализируется кодовым вектором 010101010100.Первый разряд последовательности Х1А и первый разряд последовательности Х1Вформируются одновременно, во время первого такта каждого периода Х1.4Рис. 5. Формирование последовательности Х2ВРис. 6. Формирование P-кодаДля формирования последовательности Х2i сначала формируется последовательность Х2,которая затем задерживается на целое число тактов i = 1...37. Каждая последовательность Х2iсуммируется по модулю 2 с последовательностью Х1.Образующие полиномы для регистров Х2А и Х2В, имеют вид:5(Х2А) 1+Х1+Х3 + Х4 + Х6 + Х7 + X8+X9 + Х10 + Х11+Х12;(Х2В) 1 +Х2 + Х3 + Х4 + Х8 + Х9 + Х12.Регистр Х2А инициализируется вектором 100100100101, регистр Х2В вектором010101010100.Когда начинается новая неделя GPS, сдвиговые регистры Х1А, Х1В, Х2А и Х2Винициализируются для выработки первого разряда недели.

Прецессии (дискретные биения)регистров сдвига по отношению к Х1A циклически продолжаются, пока не закончитсяпоследний кадр Х1А на интервале текущей недели GPS. В интервале времени последнегокадра Х1А регистры Х1В, Х2А и Х2В отработав свои кадры, удерживают последнее выходноесостояние, пока не закончится кадр регистра Х1А.

В этот момент времени все четыререгистра инициализируются и вырабатывается первый разряд новой недели. Временноймеханизм формирования P-кода, формирования признака конца недели поясняют табл. 3, 4,рис. 6, 7 и показывают финальные кодовые векторы на момент окончания недели.Формирование C/A-кода. Каждая последовательность Gi(t) представляет собой 1023битовый код Голда, в свою очередь являющийся суммой по модулю 2 двух 1023-битовыхлинейных последовательностей G1 и G2i.Последовательность G2, формируется путем задержки G2 на целое число тактов вдиапазоне от 5 до 950. Образующие полиномы для G1 и G2 описываются следующимивыражениями:G1 = X10 + X3+1G2 = X10 + X6 + X8 + X6 + X3 + X2 + 1.Рис.

8. Формирование последовательности G1Рис. 9. Формирование последовательности G26Начальный вектор обеих последовательностей имеет вид 1111111111. Сдвиговыерегистры G1 и G2 инициализируются по началу эпохи Х1. Инициализация регистров в фазе сэпохами Х1 гарантирует, что первый бит C/A-кода начнется синхронно с первым битом Pкода.Действующая задержка последовательности G2, благодаря которой формируетсяиндивидуальная последовательность G2i, достигается коммутацией двух выводов сдвиговогорегистра G2 с последующим суммированием по модулю 2, как показано на рис. 8.Выбирается одна из 36 возможных комбинаций подключения выходов регистра,соответствующая одному варианту P-кода.Рис. 8.

Формирование C/A кодаНавигационное сообщение GPSВ навигационном сообщении, которое в аппаратуре спутников накладывается надальномерный код, содержится информация об эфемеридах НКА, позволяющих рассчитатьих координаты и составляющие скорости, альманах созвездия НКА, частотно-временныепоправки, метки времени, параметры ионосферной модели, сведения о работоспособностибортовой аппаратуры НКА и др. Эта информация используется в аппаратуре потребителяпри решении навигационно-временной задачи по определению координат, скорости ивременной поправки к местной шкале времени.Информационная последовательность передается кадрами емкостью 1500 бит идлительностью 30 с.

Один кадр делится на 5 субкадров длительностью 6 с. В свою очередь,субкадр состоит из 10 слов по 30 бит каждое. Скорость передачи информации – 50 бит всекунду. Субкадры 1, 2 и 3 содержат оперативную информацию о временных поправках ипараметрах орбиты (эфемеридах) спутника, который передает этот сигнал. Остальнаяинформация, необходимая для определения координат потребителя и оценки работоспособности аппаратуры всех спутников, разбита на 25 страниц. Эта информация включаетмедленно меняющиеся параметры орбиты данного спутника, сокращенный набор данных опараметрах движения и работоспособности остальных спутников системы GPS (альманах),7коэффициенты для расчета ионосферных поправок и другие неоперативные параметры.Страницы распределены по кадрам.

В субкадрах 4 и 5 каждого кадра передается 1 страницанеоперативной информации. Таким образом для передачи всего массива данных требуется25 кадров, что занимает 12,5 мин.Все данные, как оперативные, так и неоперативные по их типу делят на 11 блоков,содержание которых приведено в таблице 4.Таблица 4. Содержание блоков (форматов) данныхНомерНомер субкадраСодержаниеНомер страницыблокав кадре1Временные поправки12Эфемериды23Эфемериды34Альманах51-245Признаки работоспособности НКА5256Резервное сообщение41, 6, 11, 16, 217Резервное сообщение412,19,20,22,23, 248Параметры UТС и ионосферной модели4189Признаки А/S и работоспособности НКА42510Служебное сообщение41311Резервное сообщение414, 15, 17Информация блоков 1, 2, 3 передается оперативно через 30 с.

Информация остальныхблоков передается страницами в составе суперкадра на месте, указанном в 4-м столбце табл.4. Для иллюстрации содержания навигационного сообщения в табл. 5 в качестве примераприведен состав информации в субкадре 1.Таблица 5. Информация субкадра 1Число Цена младДиапазонЕдиницыбит шего разрядаСлово телеметрии, TLM22Время от начала недели176с0…100800 длительностьподкадраНомер недели эпохи GPS1010…1023 неделяC/A или P-код на L221целоеПризнак данных с Р-кодом на L211целоеТочность оценки дальности НКА4условный кодПризнак работоспособности НКА61условный код-31Групповая задержка, ТGD82cНомер выпуска временных поправок10целоеОпорное время для расчета временных1616604784 cпоправок, tOCКоэффициент расчета поправок af282-55c/c2Коэффициент расчета поправок af1162-43c/c-31Коэффициент расчета поправок af0222cПараметр8.