4. Навигационные радиосигналы (1151914), страница 4

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 4)

Важно, что навигационные сообщения, передаваемые в верхнем и нижнем лепестках спектра, также могут быть различными. При этом потребитель может как принимать раздельно каждую из компонент данного сигнала, так и обрабатывать весь сигнал «в целом». Подобная возможность является важным достоинством этого класса радиосигналов.

В заключение необходимо отметить, что меандровые сигналы (BOC сигналы), по сравнению с традиционными, обладают рядом достоинств (точность, помехоустойчивость и т.д.), которые весь важны в реальных условиях функционирования ГНСС.

4.5 Структура и характеристики сигналов ГНСС

4.5.1 Физические характеристики навигационных сигналов ГЛОНАСС

На этапе проектирования ГНСС ГЛОНАСС для передачи навигационных сигналов НКА были выбраны следующие два диапазона частот: L1 1602,5625…1615,5625 МГц, и L2 1246,4375…1256,5000 МГц. Однако, поскольку указанные диапазоны смыкаются и даже частично перекрываются с диапазонами рабочих частот систем спутниковой радиосвязи (1559,0...1610,0 МГц и 1215,0...1260,0 МГц), воздушной радионавигации (1535,0…1559,0 МГц), а также с полосой частот, выделенной для нужд радиоастрономии (1610,6-1613,8 МГц), границы диапазонов сигналов ГЛОНАСС в конце 1990-х годов были «сдвинуты». Согласно действующему в настоящий момент частотному плану, для передачи сигналов НКА Глонасс-М используется диапазон L1 1598,0625…1605,375 МГц, и диапазон L2 1242,9375…1248,625 МГц [14]. При этом реализуется частотный метод разделения сигналов: каждый НКА использует пару литерных частот, одна из которых принадлежит диапазону L1, вторая – диапазону L2.

Н
оминальные значения несущих частот и для k -ой пары определяются согласно следующему правилу:

где k – литера, т.е. условный порядковый номер данной пары. С 2005 г. на всех запускаемых НКА используются литеры несущих частот k =-7...4 [11]. Литеры 5-7 являются служебными и могут использоваться для проведения регламентных и других работ с НКА.

При этом для антиподных (находящихся в диаметрально противоположных точках орбиты) НКА используются одинаковые литерные частоты, поскольку для подавляющего большинства потребителей (сухопутных, морских, воздушных) одновременный прием сигналов антиподных НКА невозможен.

Исключение составляют космические объекты, высота орбиты которого позволяет наблюдать антиподные НКА. Для различения их сигналов используется доплеровская селекция (ДСЧ сигналов антиподных НКА всегда имеет разные знаки).

Все сигналы, излучаемые НКА ГЛОНАСС, формируются с помощью следующей сетки опорных частот F₁…F₁₀ (Гц), получаемой от общего синхронизатора:

Все сигналы, излучаемые НКА ГЛОНАСС, привязаны к следующей сетке частот, формируемой общим синхронизатором.

Сигнал F₁ является синусоидальным, остальные сигналы – импульсные.

Чтобы для наземного наблюдателя частота опорного сигнала F₁ при нулевом доплеровском сдвиге, т.е. в «траверзном» положении НКА составляла ровно 5 МГц, на борту с целью компенсации релятивистского «замедления» времени, возникающего при движении НКА по орбите, эта частота смещена на величину Гц, т. е. составляет 499999999,782 Гц.

Оцифровка отсчетов времени производится 32-разрядным последовательным кодом с тактовой частотой 100 Гц.

Мощность передатчика НКА в канале L1 составляет порядка 80Вт., в канале L2 – порядка 40 Вт, коэффициент усиления передающей антенны НКА равен 10…12 дБ. Соответственно, эффективная изотропная излучаемая мощность (ЭИИМ) сигнала в канале L1 составляет 30 дБВт, в канале L2 – 27 дБВт. При этом мощность сигнала НКА, принимаемого изотропной линейно поляризованной антенной с коэффициентом усиления +3 дБ, расположенной на земной поверхности, в наихудшем случае (угол места НКА менее 5°) составляет:

• не менее -161 дБВт для диапазона L1;

• не менее -164 дБВт для диапазона L2.

Суммарные потери, связанные с неидеальностью процедур модуляции в передатчике НКА и согласованной фильтрации в приемнике потребителя 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 погрешность слежения за фазой несущей не хуже 0,1 радиан (СКО). Нетрудно рассчитать, что потенциальная точность дольномерных фазовых измерений при этом составляет примерно 1,5 % от длины волны, т. е. порядка 3 мм.

Мощность внеполосного (за пределами полос шириной 0,511 МГц) излучения для диапазонов частот П и 12 не превышает -40 дБ относительно мощности немодулированной несущей.

Нормальные условия работы ГНСС предполагают одновременный прием сигналов от четырех и более НКА. Очевидно, что с точки зрения оптимальной обработки сигнала каждого НКА, сигналы всех других НКА образуют 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 лепестки спектра другого сигнала. Их уровень составляет -48 дБ относительно главного лепестка, что существенно меньше, чем для ГНСС GPS (см. далее).

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 составе НC и она может быть устранена в АП. Некомпенсируемая случайная составляющая не превышает 8нc.

Излучаемый сигнал имеет правую круговую поляризацию. В секторе ±19° относительно оси симметрии диаграммы направленности передающей антенны коэффициент эллиптичности по полю не хуже 0,7.

4.5.2 Структура навигационных сигналов и навигационных сообщений ГЛОНАСС

Спектр мощности навигационного радиосигнала практически полностью определяется наивысшей тактовой частотой модулирующей последовательности. Для используемых в ГЛОНАСС сигналов стандартной точности (СТ-код, подробнее см. далее) ширина основного «лепестка» огибающей спектра мощности радиосигнала равна 1,022 МГц, а для сигналов высокой точности ВТ-код -10,22 МГц.

Спектр мощности навигационного радиосигнала практически полностью определяется наивысшей тактовой частотой модулирующей последовательности. Для используемых в ГЛОНАСС сигналов стандартной точности («СТ- сигнал», подробнее см. далее) ширина основного «лепестка» огибающей спектра мощности радиосигнала равна 1,022 МГц, а для сигналов высокой точности («ВТ-сигнал») – 10,22 МГц. (Иногда в литературе для обозначения СТ- сигнала используется аббревиатура «ПТ», т. е. «пониженная точность»).

НКА «Глонасс-М» в диапазонах L1 и L2 излучают двухкомпонентный сигнал, квадратурные (сдвинутые на ) компоненты которого получены путем (ОФМ) на угол двумя псевдослучайными последовательностями – ПСП-1 (СТ сигнал, тактовая частота 511 кГц) и ПСП-2 (ВТ сигнал, тактовая частота 5,11 МГц). Благодаря использованию фазовых квадратур обеспечивалась ортогональность, т. е. отсутствие взаимного влияния при передаче ПСП-1 и ПСП-2. Дополнительно обе квадратурные компоненты подвергаются ОФМ последовательностью символов навигационного сообщения (тактовая частота 50 Гц) и меандра тактовой синхронизации (ТС, тактовая частота 100 Гц, см. ниже).

Рассмотрим принципы формирования модулирующих последовательностей на примере ПСП-1.

Эта ПСП образуется сложением по mod 2 трех двоичных сигналов:

• дальномерного кода стандартной точности (СТ), представляющего собой последовательность максимальной длины (М-последовательность) с тактовой частотой 511 кГц и периодом 1 мс (иногда в литературе для обозначения этого кода используется аббревиатура ПТ-код, т. е. код пониженной точности);

навигационного сообщения (НС) с тактовой частотой 50 Гц, передаваемого с помощью ОФМ в виде строк длительностью 2 с;

• сигнала тактовой синхронизации в виде меандра с частотой 100 Гц

Процесс формирования ПСП поясняется схемой рис. 4.9.

Рис. 4.9 Схема формирования ПСП-1

Рассмотрим более подробно структуру и параметры каждой из составляющих ПСП1.

Дальномерный код представляет собой М-последовательность, образующий полином которой имеет вид G_Д(х) = 1 х⁵ х⁹.

Схема формирования дальномерного кода показана на рис. 4.10 а временная диаграмма, поясняющая его работу, - на рис. 4.11

Рис.4.10 Схема формирования дальномерного кода

Рис. 4.1 Временная диаграмма дальномерного кода.

Навигационное сообщение состоит из строк, кадров и суперкадров. Рассмотрим сначала структуру одной строки (структура кадра и суперкадра будет описана далее).

В каждой двухсекундной строке навигационного сообщения в интервале времени 1,7с передаются 85 двоичных символов длительностью 20 мс каждый. Поскольку используется относительная фазовая манипуляция, первый символ каждой строки начальный («холостой»). Последние восемь символов в каждой строке являются проверочными символами кода Хемминга, позволяющими исправлять одиночный ошибочный символ и обнаруживать два ошибочных символа в строке.

В конце двухсекундной строки передается метка времени (MB) длительностью 0,3 с, позволяющая определять границы кодовых слов и их комбинаций, т.е. обеспечивающая строчную (цикловую) синхронизацию. MB представляет собой укороченную на один символ 31-символьную М-последовательность, порождающий полином которой имеет вид G_МВ(x)= 1 х³ х⁵.

Меандр тактовой синхронизации добавляется в сигнал для ускорения тактовой (символьной) синхронизации. В принципе, информацию о тактовой частоте можно получить, фиксируя моменты смены знака модулирующей последовательности. Проблема состоит в том, что в реальных информационных посылках символы 0 и 1 неравновероятны и может возникнуть ситуация, когда знак посылки не меняется длительное время. При суммировании по mod2 символов НС и меандра образуется бидвоичный код, для которого характерно равномерное чередование символов, в том числе и при неизменном знаке информационных символов. В приемнике потребителя из бидвоичного кода вновь выделяется меандр, используемый в приемнике для символьной синхронизации, а навигационное сообщение восстанавливается путем повторного суммирования по mod2 выделенного меандра и бидвоичного кода.

Фронты меандра синхронизированы с высокой точностью с границами символов МВ и НС. В свою очередь, границы символов НС совпадают с передними фронтами дальномерной ПСП. Временные диаграммы, поясняющие формирование символов НС и МВ, приведены на рис. 4.12.

Характеристики

Список файлов лекций