4. Навигационные радиосигналы (1151914), страница 5

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

Текст из файла (страница 5)

Рис.4.12 Временные диаграммы формирования символов НС и МВ

Кадр (длительность 30 с) содержит 15 строк. В составе каждого кадра передается полный объем оперативной НИ и часть альманаха системы.

Оперативная НИ в кадре относится к НКА, излучающему навигационный радиосигнал, и содержит: признаки достоверности НИ в кадре; время начала кадра t_к; эфемеридную информацию (ЭИ) – координаты и производные координат НКА в прямоугольной геоцентрической системе координат на момент времени t₀ (в литературе по спутниковой навигации текущий момент времени часто называют эпохой [2]), частотно-временные поправки (ЧВП) на момент времени t₀ в виде относительной поправки к несущей частоте навигационного радиосигнала и поправки к ШВ НКА; время t₀, к которому «привязаны» ЭИ и ЧВП, кратно 30 мин и отсчитывается от начала суток. Оперативная НИ используется потребителем в процессе определения собственных координат и вектора скорости.

Альманах системы содержит:

• параметры орбиты, номер пары несущих частот и поправку к бортовой ШВ для каждого штатного НКА орбитальной группировки (24 НКА);

• время, к которому относится информация альманаха;

• поправку к БШВ НКА относительно СШВ (погрешность поправки не более 1 мкс).

Альманах системы необходим в АП для планирования сеанса навигации при выборе оптимального созвездия НКА и для прогноза доплеровского сдвига несущей частоты. Полный альманах передается в пределах суперкадра, который содержит 5 кадров. Объем суперкадра составляет 7500 бит, длительность передачи – 2,5 мин.

Вторая ПСП формируется по аналогичному принципу, ее период также равен 1мс, однако в ней используется М-последовательность с тактовой частотой 5,11 МГц, образующая дальномерный код высокой точности (ВТ). ПСП1 и ПСП2 формируются когерентно от общего стандарта частоты. Допустимый сдвиг между фронтами символов ПСП1 и ПСП2 не превышает 6 нс.

На рис. 4.13 схематично изображены спектры квадратур сигналов НКА Глонасс-М, использующих частотное разделение.

Р
ис. 4.13 Спектры навигационных радиосигналов ГЛОНАСС с частотным разделением.

Концепция развития ГНСС ГЛОНАСС предусматривает значительное расширение ансамбля сигналов с использованием не только частотного, но и кодового способа разделения. В качестве первого этапа в 2011 году запущен НКА нового поколения – «Глонасс-К1», излучающий сигналы с частотным разделением в диапазонах L1 и L2Б, а также двухкомпонентный сигнал на частоте L3 = 1202,025 МГц.

Обе квадратуры этого сигнала подвергаются бинарной фазовой манипуляции с тактовой частотой 10,94 МГц усеченной последовательностью Кассами, индивидуальной для данного (и каждого последующего) НКА. На последующих этапах планируется переход к кодовому разделению сигналов в диапазонах L1 и L2, при этом в качестве модулирующих будут использованы меандровые (ВОС сигналы). В качестве примеров на рис. 4.14 приведен спектр мощности реального навигационного радиосигнала «Глонасс-К1» с частотным разделением в диапазоне L1, а на рис 4.15 – спектр перспективного сигнала НКА «Глонасс-К2» в диапазоне L1с кодовым разделением (ВОС (5, 2.5) модуляцией).

Р
ис 4.14. Спектр мощности навигационного радиосигнала «Глонасс-К1» с частотным разделением в диапазоне L1,

Рис 4.15 Спектр перспективного сигнала НКА «Глонасс-К2» с кодовым разделением (ВОС модуляцией)

4.5.3 Характеристики и структура навигационных сигналов GPS

В отличие от ГЛОНАСС, в ГНСС GPS изначально заложен метод многостанционного доступа с кодовым разделением каналов (MДКР). В англоязычной литературе данный метод разделения сигналов носит название Code Division Multiple Access (CDMA). CDMA предусматривает, что все НКА излучают навигационные радиосигналы на общих частотах, но каждый сигнал модулируются своей индивидуальной ПСП, структура которой специально выбрана из условия малого уровня взаимной корреляции с сигналами прочих НКА. Для передачи сигналов используются две несущие частоты: L1=1572,42 МГц и L2=1227,6 МГц, полосы частот, занимаемые модулированными сигналами, для всех НКА равны 20,46 МГц. Все навигационные радиосигналы и тактовые частоты на борту НКА формируются из единой опорной частоты f₀ = 10.23 МГц, которая поддерживается атомным стандартом частоты. С целью компенсации релятивистского эффекта номинал несущей частоты уменьшается на величину ∆f ~ 4.5674*10^-3 Гц. Мощность бортовых передатчиков около 50 Вт (может несколько различаться для разных модификаций НКА). При этом мощность принятого сигнала в условиях применения изотропной линейно поляризованной антенны с коэффициентом усиления +3 дБ, расположенной на земной поверхности и принимающей сигнал НКА при угле места 5°, составляет –166…–160 дБ. Большинство параметров сигналов GPS – потери на неидеальность модуляции и фильтрации, мощность внеполосного излучения, фазовые шумы – практически совпадают с параметрами ГЛОНАСС. Существенно различается лишь уровень внутрисистемных помех: для используемых в сигналах стандартной точности GPS кодов Голда длиной 1023 элемента уровень первого бокового лепестка АКФ составляет –21,6 дБ относительно максимума. Иными словами, уровень внутрисиcтемной помехи в GPS на 27 дБ выше, чем в ГЛОНАСС (см. выше).

Основным видом дальномерного кода GPS, согласно [ИКД], является точный код (Р- код), представляющий собой ПСП с тактовой частотой 10,23 МГц и периодом 7 суток. Первоначально Р- код GPS предназначался для санкционированного доступа, однако в 2002 году его структура была опубликована. Для НКА современных модификаций предусмотрен режим дополнительной защиты точного кода (A/S – antispoofing), при котором за счет нелинейного преобразования из Р- кода формируется закрытый P(Y) код. Несанкционированное использование такого кода при отсутствии ключевой информации практически невозможно.

Для несанкционированного (коммерческого) доступа предоставлен "короткий" код пониженной точности, (C/A – Clear Acquisition - код), с тактовой частотой 1,023 МГц и периодом 1 мс, который также может использоваться для синхронизации аппаратуры потребителя, работающей по Р или Р(Y) кодам. C/A – код представляет собой код Голда, образуемый из двух 10-разрядных ПСП с образующими полиномами

G₁(x)= 1+x³ +x¹⁰; G₂(x)= 1+x²+ x³ +x ⁶ +x⁸ +x⁹+x¹⁰.

Код, соответствующий i–му НКА, образуется суммированием по mod2 упомянутых ПСП, причем вторая ПСП имеет индивидуальный для данного НКА сдвиг на фиксированное число символов длительностью около 1 мкс каждый. Схема, иллюстрирующая принцип формирования C/A кода приведена на рис.4.16.

Рис. 4.16 Схема формирования дальномерной ПСП C/A кода GPS

Необходимо отметить, что на протяжении ряда лет C/A код подвергался дополнительному зашумлению, ограничивающему точность измерений с помощью коммерческой АП (так называемый режим ограниченного доступа, в американской литературе S/A - Selective Availability - режим).

Режим S/A реализовывался с помощью двух приемов, получивших название процессов «δ» и «ε». Процесс «δ» основан на внесении случайных флуктуаций в частоту бортового опорного генератора, что приводит к появлению медленных (с периодом порядка нескольких минут) флуктуаций отсчетов псевдодальности и псевдодоплеровкой фазы. Амплитуда флуктуаций псевдодальности, обусловленных процессом «δ», имела порядок 50м.

«Процесс «ε» представляет собой преднамеренное понижение точности передаваемых потребителю эфемерид НКА, реализуемое путем усечения младших разрядов НС. Эксперименты показали, что погрешности прогноза эфемерид при этом могут достигать 50-150м и иметь периодичность в несколько часов.

Согласно директиве Президента США режим S/A был выключен в начале мая 2000 г, однако МО США сохраняет за собой право по собственному усмотрению вновь вводить его, чтобы исключить использование коммерческой АП для высокоточных навигационных определений в военных целях. На рисунке 4.17 приведен график изменения погрешности навигационных определений по высоте в момент выключения режима селективного доступа 2 мая 2001г.

Рис. 4.17 Изменение погрешности измерения высоты во время выключения режима селективного доступа 2 мая 2001г

Как видно из рисунка, точность измерений возросла почти в 10 раз, что дало гигантский импульс к развитию прикладных навигационных технологий.

Для формирования Р-кода используется тот же принцип, однако алгоритм оказывается более сложным. ПСП для Р-кода каждого НКА формируется суммированием по mod2 двух тактируемых с частой 10,23 МГц ПСП: Х1и Х2. В свою очередь, Х1образуется сложением по mod2 двух ПСП Х1(А) и Х1(В), формируемых на выходе 12-разрядных регистров сдвига.

При этом реинициализация (сброс в начальное состояние) регистра Х1(А) производится после выдачи 4092 бит, т. е. последние три бита полной (4095-битной) последовательности отбрасываются. Аналогично, реинициализация регистра Х1(В) производится после выдачи 4093 бит, т. е. с отбрасыванием двух последних бит. В результате для каждого укороченного таким образом кадра ПСП Х1 фаза последовательности Х1(В) сдвигается на один бит относительно последовательности Х1(А). Этот процесс продолжается до тех пор, пока число укороченных кадров не достигнет 3750, после чего генерируется признак конца «эпохи» Х1, равной 1,5 с, и происходит реинициализация регистров Х1(А) и Х1(В). За одну эпоху генерируется 15 345 000 разрядов ПСП Х1. Термин «эпоха» здесь используется в смысле «период».

Аналогично формируется ПСП Х2: Кадры ПСП Х2(А) и Х2(В) укорочены аналогично кадрам Х1(А) и Х1(В), соответственно эпоха Х2, так же, как эпоха Х1, длится 1,5с и включает в себя 3750 кадров.

Дискретные «биения» (прецессии) сигналов на выходах регистров Х1(В), Х2(А) и Х2(В) относительно регистра Х1(А) продолжаются до тех пор, пока не закончится последний кадр Х1(А) на интервале текущей недели GPS. В этот момент все четыре регистра реинициализируются и формируется первый разряд новой недельной последовательности Р-кода. Более детально процесс формирования Р-кода описан в литературе [10]. Стандартная процедура синхронизации НАП по сигналу P(Y) является очень длительной, поскольку войти в синхронизм из-за его большой длины кода без априорной информации очень сложно. Как правило, военная НАП вначале принимает открытый навигационный сигнал С/А, а затем, после временной синхронизации, приема эфемерид и первых навигационных определений, переключается на код P(Y). Возможно прямое обнаружение и работа с сигналом, закрытым P(Y)-кодом, но это требует точной информации о времени, положении потребителя и НКА, вошедших в рабочее созвездие.

Состав информации, передаваемой в навигационном сообщении GPS, сходен с составом НИ ГЛОНАСС: в нем содержится информация об эфемеридах НКА, альманах созвездия НКА, частотно-временные поправки, метки времени, параметры ионосферной модели, сведения о работоспособности бортовой аппаратуры НКА и др. Однако общий объем передаваемой информации в 5 раз больше, чем для ГЛОНАСС, и составляет 37 500 бит. Этот массив информации называют суперкадром.

Информационная последовательность передается кадрами емкостью 1500 бит и длительностью 30 с. Один кадр делится на субкадры (строки) длительностью 6 с, содержащие 10 слов по 30 бит каждое. В одном кадре передается 1/25 всего альманаха. Поэтому передача всей информации альманаха занимает 12,5 мин. Соответственно, время «холодного» старта аппаратуры потребителя GPS оказывается больше, чем для ГЛОНАСС.

Более детально структура НИ и способы ее использования описаны в соответствующих интерфейсных контрольных документах, [ №№]

Для удовлетворения возросших потребностей гражданских потребителей был разработан новый гражданский радиосигнал GPS в диапазоне L2. Данный сигнал формируется путем комбинирования двух кодовых последовательностей –L2СМ и L2CL. Код L2CM насчитывает 10230 символов и имеет период 20 мс, код L2CL в 75 раз длиннее, насчитывает 767250 символов и имеет период 1,5 секунды. Коды L2CL и L2CМ являются сбалансированными кодами с аналогичным числом единиц и нулей. Обе последовательности формируются от общей тактовой частоты 511,5 кГц. Кодовая последовательность L2CМ модулируется цифровой информацией, имеющей тактовую частоту 25 Гц, код L2CL не модулируется (является пилот сигналом). Оба кода мультиплицируются и образуют последовательность L2C, которая используется для модуляции несущей частоты. Подобный подход обеспечивает взаимную корреляцию сигналов НКА на уровне - 45 дБ [21].

Потребителю новые возможности системы GPS стали доступны с момента запуска КА Блок IIR-М, который излучает гражданский навигационный радиосигнал в диапазоне L2, а также два военных сигнала в двух диапазонах L1 и L2. Однако, как уже указывалось, медленные темпы замены КА в ОГ сделают новые сигналы доступными для глобального использования только через несколько лет.

Основные этапы эволюционного развития системы навигационных радиосигналов системы GPS иллюстрируется рис.4.18.

Рис. 4.18 Спектры сигналов НКА GPS различных поколений

Характеристики

Список файлов лекций