4. Навигационные радиосигналы (1151915), страница 5
Текст из файла (страница 5)
В принципе, информацию о тактовой частотеможно получить, фиксируя моменты смены знака модулирующей последовательности. Проблема состоит в том, что в реальных информационных посылках символы 0и 1 неравновероятны и может возникнуть ситуация, когда знак посылки не меняетсядлительное время. При суммировании по mod2 символов НС и меандра образуетсябидвоичный код, для которого характерно равномерное чередование символов, в томчисле и при неизменном знаке информационных символов. В приемнике потребителя из бидвоичного кода вновь выделяется меандр, используемый в приемнике длясимвольной синхронизации, а навигационное сообщение восстанавливается путемповторного 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.Рис.4.12 Временные диаграммы формирования символов НС и МВКадр (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 tк;эфемеридную информацию (ЭИ) – координаты и производные координат НКА в прямоугольной геоцентрической системе координат на момент времени t0 (в литературепо 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 отначала суток.
Оперативная НИ используется потребителем в процессе определениясобственных координат и вектора скорости.Альманах системы содержит:• параметры орбиты, номер пары несущих частот и поправку к бортовой ШВ длякаждого штатного НКА орбитальной группировки (24 НКА);• время, к которому относится информация альманаха;• поправку к БШВ НКА относительно СШВ (погрешность поправки не более 1мкс).Альманах системы необходим в АП для планирования сеанса навигации при выборе оптимального созвездия НКА и для прогноза доплеровского сдвига несущейчастоты.
Полный альманах передается в пределах суперкадра, который содержит 5кадров. Объем суперкадра составляет 7500 бит, длительность передачи – 2,5 мин.Вторая ПСП формируется по аналогичному принципу, ее период также равен1мс, однако в ней используется М-последовательность с тактовой частотой 5,11 МГц,образующая дальномерный код высокой точности (ВТ). ПСП1 и ПСП2 формируютсякогерентно 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.Рис. 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 кодовогоспособа 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 стактовой 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 вкачестве модулирующих будут использованы меандровые (ВОС сигналы). В качестве примеров на рис. 4.14 приведен спектр мощности реального навигационногорадиосигнала «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).Рис 4.14. Спектр мощности навигационного радиосигнала «Глонасс-К1» с частотнымразделением 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 GPSВ 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 MultipleAccess (CDMA). CDMA предусматривает, что все НКА излучают навигационныерадиосигналы на общих частотах, но каждый сигнал модулируются своей индивидуальной ПСП, структура которой специально выбрана из условия малого уровнявзаимной 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 стандартомчастоты.
С целью компенсации релятивистского эффекта номинал несущей частотыуменьшается на величину ∆f ~ 4.5674*10-3 Гц. Мощность бортовых передатчиковоколо 50 Вт (может несколько различаться для разных модификаций НКА). Приэтом мощность принятого сигнала в условиях применения изотропной линейно поляризованной антенны с коэффициентом усиления +3 дБ, расположенной на земнойповерхности 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 уровеньвнутрисистемных помех: для используемых в сигналах стандартной точности GPSкодов 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], являетсяточный код (Р- код), представляющий собой ПСП с тактовой частотой 10,23 МГц ипериодом 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- кодаформируется закрытый P(Y) код.
Несанкционированное использование такого кодапри отсутствии ключевой информации практически невозможно.Для несанкционированного (коммерческого) доступа предоставлен "короткий" код пониженной точности, (C/A – Clear Acquisition - код), с тактовой частотой1,023 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 полиномамиG1(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 сдвигна 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 GPSНеобходимо отметить, что на протяжении ряда лет C/A код подвергался дополнительному зашумлению, ограничивающему точность измерений с помощьюкоммерческой АП (так называемый режим ограниченного доступа, в американскойлитературе S/A - Selective Availability - режим).Режим S/A реализовывался с помощью двух приемов, получивших названиепроцессов «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, обусловленныхпроцессом «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 этоммогут достигать 50-150м и иметь периодичность в несколько часов.Согласно директиве Президента США режим S/A был выключен в начале мая2000 г, однако МО США сохраняет за собой право по собственному усмотрениювновь вводить его, чтобы исключить использование коммерческой АП для высокоточных навигационных определений в военных целях.
На рисунке 4.17 приведенграфик изменения погрешности навигационных определений по высоте в моментвыключения режима селективного доступа 2 мая 2001г.Рис. 4.17 Изменение погрешности измерения высоты во время выключения режимаселективного доступа 2 мая 2001гКак видно из рисунка, точность измерений возросла почти в 10 раз, что далогигантский импульс к развитию прикладных навигационных технологий.Для формирования Р-кода используется тот же принцип, однако алгоритмоказывается более сложным. ПСП для Р-кода каждого НКА формируется суммированием по mod2 двух тактируемых с частой 10,23 МГц ПСП: Х1и Х2.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
