Вопрос для самоконтроля:
Дайте короткое определение понятием: созвездие спутников, наземные станции контроля, спутниковые приемники?
В чем заключається основная функция станций слежения?
Укажите число орбитальных плоскостей и число спутников каждой плоскости в GPS?
Что представляет собой режим кодовых измерений?
Что представляет собой режим фазовых измерений?
Какие измерения более точные?
На скольких частотах излучается колебания каждым спутником?
Какой вид модуляции несущих колебаний используется в спутниковом сигнале?
Что такое фазовая манипуляция?
В какие моменты происходит фазовая манипуляция?
Что модулируется грубым и точным кодом?
7.2. Спутниковый сигнал
Сигнал, который передается из спутника являются излучаемыми в пространство электромагнитными колебаниями на двух несущих частотах, означают L1 и L2, подвергнутых особому виду фазовой модуляции - фазовой манипуляции. Последняя состоит в перебрасывании фазы несущей на 180в в определенные моменты. Эти моменты задаются так называемыми віддалемірними кодами - определенными последовательностями нулей и единиц. Перебрасывание фазы происходит в моменты изменения в кодах 0 на 1 или 1 на 0 (рис.7.2).
Таких кодов используется два: один для "грубых", другой для " точных измерений", и они существенным образом различаются, о чем будет подробнее сказан ниже. Грубым кодом модулируется несущая L1, а точным кодом - обе несущих L1 и L2. В GPS грубый код называется С/ А-Кодом ( от слов Coarse Aquisition - что легко находится, общедоступный), а точный – Р-Кодом (Precision - точный). С/ А-Код предназначен для всех пользователей.Р-Код сначала назначался только для тех, что имеют санкционированный доступ ( в основном для американских военных). Сейчас доступ к Р-Кода имеют приемники практически всех пользователей. В системе ГЛОНАСС аналогичная ситуация, различие только в названиях: грубый код называется Ст-Кодом (кодом стандартной точности), а точный код - Вт-Кодом (кодом высокой точности). Однако между GPS и ГЛОНАСС есть принципиальное отличие, которое относится к использованию кодов. В GPS как С/ А-Код, так и Р-Код резни для каждого спутника при сходства несущих частот L1 и L2 для всех спутников системы. В ГЛОНАСС же, наоборот, коды СТ и ВТ всех спутников одинаковые, но разные несущие частоты. Другими словами, в GPS примененное кодовое, а в ГЛОНАСС - частотное разделение сигналов от каждого спутника.
Применение кодов решает задачу измерения расстояний (псевдодальностей) временным методом с использованием корреляционной обработки сигнала. Как это делается, будет рассмотрен в следующем разделе. Но спутниковый сигнал подвергается не только кодовой модуляции, необходимой для измерения расстояний. У него "встраивается" вся информация из спутника, который передается - мотки времени, данные об эфемериды спутника, разные поправочные величины, альманах (сборник менее точных данных о местонахождении каждого из спутников системы и состояние его “здоровье”) и др. Вся эта информация, создает навигационное сообщение, также превратится в двоичный код (последовательность нулей и единиц), которым дополнительно модулируются обе несущие частоты. Модуляция осуществляется так же, как и віддалемірними кодами - перебрасыванием фазы несущего колебания на 180° в моменты изменения символов (нулей и единиц). Частота прохождения символов навигационного сообщения составляет 50 Гц(или, как то говорят, информация передаться со скоростью 50 бит/с, поскольку один символ - 0 или 1 - содержит один бит информации).
Таким образом, сигнал каждого спутника в обеих рассмотренных глобальных системах составляется с двух несущих колебаний разных частот, маніпульованих за фазой как дальномерными кодами, так и навигационным сообщением. Дальнейшее рассмотрение этот вопроса будет ориентировано в основном на систему GPS как на ту, что получила более широкое применение у пользователей.
Рис.7.2. Фазовая манипуляция под действием кодового сигнала
На спутниках GPS високостабільний опорный кварцевый генератор, стабилизированный с помощью атомных эталонов частоты, генерирует колебание с частотой 10,23 Мгц, с которых соответствующим умножением или делением синтезируется вся остальные частоты – несущие, частоты прохождения символов С/А- и Р- кодов и символов навигационного сообщения. Номиналы всех частот и образ их получения указаны в таблице 7.2.
Віддалемірні коды. Віддалемірним кодом называют последовательность сигналов, которые могут находиться в двух разных состояниях, которым условно приписывают значение (символы) 0 и 1. Эти состояния принудительно дежурят таким образом, который у них изменению невозможно заметить какой-нибудь закономерности, то есть дежурство выглядит случайным, но через определенные интервалы времени оно периодически повторяется с точностью до каждого символа. Подобные последовательности называются псевдослучайными и образовывают псевдослучайные коды. На спутнике и в приемнике генерируются абсолютно одинаковые коды, которые окажутся смещенными по времени. Период повторения псевдослучайных последовательностей (продолжительность кода) существенным образом различается для “грубого и “точного” кодов”. Так, в GPS C/ A-Код повторяется каждую мілісекунду, а продолжительность Р-Кода составляет 266,4 суток. Короткая продолжительность C/ А-Кода позволяет легко захватить сигнал спутника на частоте L1.
Намного труднее осуществить увлечение спутникового сигнала на несущей L2, которая модулирована только Р-Кодом. Его чрезвычайно большая продолжительность выбранная разработчиками специально с целью утруднять доступ к нему для несанкционированных пользователей. Общая продолжительность Р-Кода разбитая на недельные отрезки, распределенные по всем спутникам системы, то есть Р-Код каждого спутника меняется через неделю. Разработчиками GPS были предусмотрены введения режима избирательного доступа (SA - Selective Availability), при которому с целью снижения точности измерений нарочно вносятся искажения в віддалемірний код и загрубляється ефемеридна информация в навигационном сообщении (в данное время, однако, режим SA отменен).
Для создания еще большей защищенности Р-Кода вводится режим дополнительного шифрования - так называемое Y-Кодирование (режим AS - Anti-Spoofing, что буквально переводится как “противодействие попытке обмана”).Y-Код математически может быть описан умножениям Р-Кода на нелинейную функцию W(t), неизвестную несанкционированным пользователям. Фактически Y-Кодирования - это обмен недельными отрезками Р-Кода в последовательности, известной только персонала системы. Правда, в данное время фирмы-производители приемочной аппаратуры добились на коммерческой основе разрешения вводить в компьютер приемника соответствующую микросхему, которая реализовывает алгоритм отыскания функции W(t).
Навигационное сообщение содержит 1500 бит и занимает 30 секунд. Оно разделено на 5 субкадрів по 300 бит, каждый с которых передается на протяжении 6 секунд. Субкадр составляется с 10 слов по 30 бит.
Каждый субкадр начинается с телеметрического слова TLM (Telemetry Word), что содержит диагностическое сообщение о состоянии спутника. Вторым словом каждого субкадру есть так называемое ключевое слово, обозначается HOW (Hand-over Word, буквально - “слово, которое передается из рук в руки”). Это слово содержит метку времени ( так называемый Z-Отсчет), записанную в виде 29- разрядного числа в двоичном коде.
Сдача информации распределяется по субкадрах таким образом:
Субкадр 1 содержит данные о поправке часов спутника относительно системного времени GPST и коэффициенты, заложенные в модель задержки радиосигнала при прохождении его через ионосферу. Информация об ионосфере предназначена только для абонентов, которые используют одночастотные приемники (принимающие только частоту L1). При наличии двочастотного приемника влияние ионосферы практически исключается так называемым дисперсионным образом
Субкадри 2 и 3 содержат эфемериды транслюючого спутника, полученные по данным наземных станций слежения. Они корректируются каждый час, но остаются в силе на протяжении еще некоторого дополнительного интервала времени ( по крайней мере на протяжении полчаса) и позволяют вычислить текущие координаты спутника на момент измерения псевдодальності. Эфемериды включают элементы кеплерової орбиты (см. курс астрономии или космической геодезії) на опорный момент и поправки к ним, которые позволяют прогнозировать элементы орбиты внутри периода действия эфемерид.
Субкадр 4 зарезервированный для передачи информации служебного характера и приемники гражданских пользователей лишены возможности ее получения.
Субкадр 5 содержит альманах спутников и данные о них трудоспособность. Альманах - это приблизительные эфемериды всех спутников системы. Альманах используется для планирования измерений.
Информация, которая спорит в субкадри 4 и 5, не помещается в одном навигационном сообщении, и эти субкадри разделенные на 25 страниц. В каждом сообщении передается одна из этих страниц, так что на передачу всей информации 4-го и 5-го субкадрів затрачивается 30 с( 25 = 750 с = 12,5 мин.