Ипатов В. Широкополосные системы и кодовое разделение сигналов (2007) (1151883), страница 89
Текст из файла (страница 89)
Множество кандидатов для демонстрации материализованного воплощения широкополосной философии и СОМА достаточно обширно, однако для предлагаемой главы выбраны лишь три примера, выделяющиеся особой значимостью как в наши дни, так и в предсказуемом будущем и обладающие высокой степенью познавательности. Фигурирующие в них системы уже не раз упоминались в иллюстрациях практического приложения тех или иных принципов или идей. 11.2. Глобальная радионавигационная система СРБ Любой объект, перемещающийся по земной поверхности или в пространстве, заинтересован в знании собственного текущего местоположения. Областью, охватывающей задачи позиционирования объектов, является навигация. Современное навигационное оборудование призвано достоверно информировать потребителя о его мгновенных координатах, скоростях движения по отношению к избранной координатной системе, точном текущем времени, предсказанном местонахождении в тот или иной момент, и т.
д. Наиболее прогрессивной и универсальной системой, обеспе- ~~~434 Глава 11. Примеры действующих беспроводных широкополосных систем чивающей решение названных задач, является глобальная радиоиавигациоииая система СРБ (01оба1 РояЖошьья Яув1еш), начало эксплуатационной стадии которой было официально декларировано США в 1993 г. 11.2.1. Общие принципы и архитектура системы Местоположение объекта иа Земле или иад ее поверхностью можно задать тремя координатами, а именно широтой, долготой и высотой.
Чтобы их определить, объект может выполнить измерение расстояний ь',дальностей) до трех фиксированных точек (маяков), чьи координаты известны априори с высокой точностью. Подобные измерения позволяют составить три уравнения, тремя неизвестными в которых оказываются как раз координаты объекта. Решив уравнения, объект завершит процедуру позиционирования. В радионавигации дальности определяются через измерение задержек распространения сигналов, переданных маяками: расстояние есть попросту задержка распространения, помноженная иа скорость света. Передатчики всех маяков обычно жестко сиихроиизироваиы'друг с другом, работая в едином системном времени.
В противоположность этому, эталон времени любого индивидуального пользователя исходно смещен относительно системной шкалы, и — вследствие случайности и нестабильности частотного ухода — времеиибй сдвиг бортовых часов оказывается добавочной — четвертой — неизвестной. Фиксируя момент прихода сигнала маяка относительно местной времеиибй шкалы, объект ие сможет измерить истинную задержку распространения, поскольку в результат войдет упомянутое времеиибе смещение. Простейшей техникой исключения этого неизвестного вклада могло бы быть измерение расстояния двух- путевым методом, при котором маяк передает свой сигнал в ответ иа пользовательский дальномерный запрос.
Подобное, однако, означало бы активность пользователей, т.е. излучение ими некоторой энергии. При этом необходимость для маяка различать сигналы отдельных пользователей и отвечать каждому из иих индивидуально жестко ограничила бы пропускную способность системы, т. е. число обслуживаемььх ею абоиеитов, Обслуживание неограниченного числа пользователей возможно лишь при одиопутевом измерении дальности, т.е.
пассивности потребителей, работающих только иа прием, что зачастую предпочтительно и по соображеииям безопасности. В рамках такого сценария у приемиика объекта есть возможность справиться с познанием ухода местных часов относительно системных, измеряя время прихода сигналов от четырех маяков вместо трех. Каждое из измеренных времен прихода содержит «истиииую«задержку распространения в сумме с одним и тем же неизвестным сдвигом временных шкал. Умноженные иа скорость света эти измерения !!.!.
!' ! ! д . с»9 «»»л дают псевдодальност««: истинные расстояния плюс произведение сдвига часов на скорость света. Таким образом, потребитель получает в распоряжение четыре уравнения с четырьмя неизвестными, итогом решения которых являются как географические координаты объекта, так и оценка сдвига временных шкал. Тем самым объект осуществляет одновременное позиционирование и измерение времени. СРЯ вЂ” система космического базирования, а это значит, что функции маяков в ней возложены на спутники, несущие на борту радиопередатчики. Такая организация позволяет передавать навигационные сигналы в диапазоне СВЧ.
В противоположность волнам ДВ диапазона, характерным для более ранних систем наземного базирования (Лоран, Омега и др.), колебания СВЧ распространяются только по прямой, практически без дифракции, так что их использование в наземных передатчиках ограничило бы зону навигационного обслуживания пределами прямой видимости маяка. В то же время СВЧ диапазон гораздо предпочтительнее длинноволнового в том, что касается массо-габаритных показателей передающих и приемных антенн и многих других элементов оборудования. Способ уладить противоречие между стремлением работать в СВЧ диапазоне и иметь широкую зону обслуживания довольно прост: нужно «всего лишь» поместить СВЧ-передатчик на борт космического аппарата.
При должном возвьппении спутника передатчик будет «освещать» на земной поверхности пятно необходимого диаметра, т. е. обеспечит нужный размер зоны навигационного покрытия. Архитектура СРЯ содержит три базовых сегмента. Космический сегмент состоит из 24 основных спутников (плюс несколько резервных), расположенных по четыре на шести почти круговых орбитах.
Орбиты смещены относительно друг друга на 60' по долготе, наклонены к плоскости экватора на 55' и имеют примерно 12-часовой сидерический период обращения. Такое пространственное созвездие позволяет одновременно наблюдать в любой момент времени и в любой точке Земли не менее четырех спутников с возвышением более 10'. В большинстве же случаев число видимых спутников больше, доходя временами до десяти. Чем больше число одновременно наблюдаемых космических аппаратов, тем вьппе точность определения координат и времени. На борту каждого спутника установлен атомный (цезиевый или рубидиевый) стандарт частоты чрезвычайно высокой стабильности: суточный уход частоты от номинала не превышает 10 ~з. Погодные условия слабо влияют на распространение волн диапазона СРЯ, так что потенциально космический сегмент системы обеспечивает всепогодную и всевременную навигацию на всей поверхности земного шара. Как сказано вьппе, объект в состоянии извлечь свои координаты из измеренных расстояний, если и только если ему известны координаты мая- ~~~43б Глава 11.
Примеры дсйствуинаих беспроводных широкополосных систем ков. Вследствие орбитального вращения спутников их координаты непрерывно меняются, и их мгновенные значения должны быть доступны потребителю в любой момент, когда он имеет потребность в позиционировании. Мгновенное положение спутника на орбите не является абсолютно детерминированным из-за случайных возмущений той или иной природы. К тому же спутниковые стандарты частоты, хотя и весьма стабильные, рано или поздно накапливают взаимные временные уходы, препятствующие точному местоопределению. Таким образом, имеется необходимость в мониторинге положения спутников и поведения их эталонов и передаче соответствующей информации потребителю.
С этой целью в составе СРЯ предусмотрен контрольный сегмент, включающий главную станцию управления в Колорадо-Спрингс (штат Колорадо) и пять станций мониторинга (Колорадо-Спрингс, Гавайские острова, Кваджалейн, Диего- Гарсиа и остров Вознесения). Станции мониторинга работают в режиме непрерывного слежения за всеми спутниками, измеряя их координаты и параметры эталонов, тестируя состояние и т.п., и передавая данные по специальной линии связи на главную станцию управления.
Последняя вычисляет текущее и прогнозируемое положение спутников, сдвиг временных шкал и другие необходимые параметры и передает обновленные данные на одну из трех наземных станций управления, расположенных там же, где и станции мониторинга (Кваджалейн, Диего-Гарсиа и остров Вознесения). Наземные станции управления загружают данные на спутники СРЯ, используя выделенную линию связи Я-диапазона. Пользовательский сегмент охватывает всех потребителей, оборудованных приемниками СРБ. На современном рынке присутствует множество (не менее сотен) разнообразных моделей приемников, от самых простых и дешевых портативных приборов (для спорта и отдыха) до очень сложных и дорогих, предназначенных для военных целей, топографии и т.
п. 11.2.2. Дальномерные сигналы системы СРЯ Задающий атомный стандарт частоты каждого спутника СРБ генерирует частоту 10,23 МГц. Когерентное частотное умножение на 154 и 120 формирует две частоты 1,-диапазона номиналов Ы = 1575,42 МГц и Л2 = 1227,60 МГц, которые далее модулируются дальномерными кодами СРБ. В системе предусмотрены два таких кода: С/А-код (грубого поиска, облегченного доступа) и Р-код (точный или защищенный). Каждому спутнику присвоена своя специфическая пара С/А- и Р-кодовых последовательностей. Верхняя несущая 1 1 — основная, и ее сигнал доступен любому приемнику СРБ, тогда как нижняя — 1 2 предназначается лишь авторизированным пользователям для высокоточных измерений. П.Э. Г 6 р ~ ОРВ 437)) Объяснение того, каким образом наличие двух несущих способствует точному позиционированию, кроется в характере распространения волн в ионосфере — верхнем атмосферном слое высотой более 50 км над поверхностью Земли.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
