Р

Данные

f₁

f₂

Рис.2. Структурная схема космического аппарата

Аппаратура командно-телеметрического канала обеспечивает прием от наземной системы управления и контроля прогнозных значений параметров собственной орбиты  (эфемериды) и альманаха.

Бортовая ЭВМ обеспечивает прием, хранение и выдачу данных эфемерид и альманаха, а также управление аппаратом.

В качестве хронизатора времени используются квантовые стандарты частоты, обеспечивающие стабильности частоты порядка 10-12–10-13. В конструкции спутников в целях резервирования предусматривается по два цезиевых стандарта частот. Квантовые стандарты частот вырабатывают определенные номинальные частоты:

- цезиевый стандарт – 9 192 631 770,0 Гц;

- рубидиевый стандарт – 6 835 000 000 Гц;

- водородный стандарт – 1 420 405 751,786 0 ± 0,004 6 Гц.

От одной из этих частот формируется исходная базовая частота fо. Исходной базовой частотой для формирования сигналов в космических аппаратах GPS NAVSTAR является частота 10,23 МГц, в аппаратах ГЛОНАСС – 5,11 МГц. Из колебаний базовой частоты fо формируются совокупности сложных сигналов, излучаемых спутниками. Излучаемые сигналы состоят из колебаний, промодулированных по фазе дальномерными кодами и информационными сигналами.

Для формирования несущих частот базовая частота fо поступает на преобразователи (умножители) с соответствующими коэффициентами умножения. На спутниках GPS NAVSTAR коэффициенты умножения в преобразователях имеют значения 154 и 120, т. е. при fо = 10,23 МГц, частоты несущих колебаний определяются как f1 = 1 575,42 МГц и f2 = 1 227,6 МГц.

Как говорилось в предыдущих лекциях, распознавание КА абонентами в системе GPS производится кодовым методом (по неповторимому дальномерному коду), а в системе ГЛОНАСС – частотным разделением. С этой целью для каждого конкретного спутника ГЛОНАСС базовая частота fо = 5,11 МГц преобразуется в частоту несущих колебаний, выделенную конкретному КА. Для этого в умножителях частот подбираются коэффициенты соответственно каждому КА, то есть несущим колебаниям спутников присваиваются определенные частотные каналы.

Расчет несущих частот для каждого КА производится по формулам:

fi1= f1+iΔ f1; fi2=f2 +iΔ f2, где:

f1(f2) – опорная несущая частота «нулевого» канала диапазона f1(f2) соответственно ( f1 = 1602 МГц, f2 = 1246 МГц);

i – номер частотного канала, соответствующего «своему» КА (при расчетах учитывать знак ±);

Δf1= 562,5 кГц – ширина частотного канала частоты f1;

Δf2 =437,5 кГц – ширина частотного канала частоты f2.

Сигнал несущей частоты f1 модулируется двумя двоичными последовательностями, каждая из которых образована путем суммирования по модулю 2 дальномерного кода и передаваемых системных и навигационных данных. Первая последовательность является суммой по модулю 2дальномерного P-кода и навигационных данных. Вторая последовательность является суммой по модулю 2 открытого C/A-кода и той же последовательности навигационных данных.

Чтобы исключить возможное наложение Р- и C/A-кодовых сигналов, передача осуществляется квадратурными компонентами:

- синусоидальная;

- косинусоидальная.

Для этой реализации в схеме космического аппарата предусмотрены фазоинверторы « / 2 », осуществляющие сдвиги фаз несущих колебаний, содержащих Р-кодовый сигнал, на 90°.

Радиосигнал на частоте f2 бифазно манипулирован только одной из двух ранее рассмотренных последовательностей. Выбор модулирующей последовательности обеспечивается по команде с наземного контрольно-командного комплекса, поступающего на устройство «Коммутатор».

Рассмотрим совместную Схему хронизатора времени, блока генерации и передачи навигационного сообщения открытого типа в системе GPS и порядок формирования сигнала(Рис.3).

Рис. 3. Блок генерации навигационного сообщения.

Полученная из колебаний одного из бортовых квантовых стандартов частоты исходная частота f0= 10,23 МГц путем деления на 154 образует частоту несущего сигнала f1 (L1) =1575, 42 МГц, которая подается на модулятор BPSK.

Поделенная на 10 частота f0поступает на генератор кодов С/А, который формирует открытый дальномерный код. Принцип работы генераторов дальномерных кодов будет рассмотрен ниже.

Полученная путем деления f0на 204600тактовая частота поступает на блок обработки данных, который преобразует поступающие от ЭВМ навигационные данные (эфемериды и альманах) в последовательный код. Последовательный код данных и последовательный дальномерный код подаются на сумматор по мод.2, то есть дальномерный код модулируется данными. Полученная смесь подается на BPSK-модулятор и модулирует колебания несущей частоты. Промодулированная несущая поступает на передатчик и излучается в сторону Земли.

Аналогичным образом формируется навигационное сообщение закрытого типа, только тактовая частота для формирования дальномерного Р-кода на порядок выше, чем для С\А-кода и составляет fо.

В общем виде сигнал на выходе частотного канала имеет вид:

S(t) = A_p[xP(t) + D (t)]cos(2πft+φ) + A_c[xG(t) + D(t)]sin(2πft+φ),

где: А_р и А_с – амплитуды Р/- С/А-сигналов;

xP(t), xG(t) – соответственно дальномерные коды Р/- С/А-сигналов;

D(t)- потоки данных (служебная информация);

f – частота несущего колебания

44. Схема формирования дальномерного С/А–кода в СНС «ГЛОНАСС» (слайд). Формирующий полином.

Формирование кодовых сигналов осуществляется в генераторах P- и C/A-кодов. Конструктивно оба генератора выполнены на сдвиговых регистрах с обратными связями, образующие полиномы для которых задаются бортовым процессором. Так как в системе GPSдальномерный код используется также для идентификации КА, то схемы формирования этих кодов очень сложны. Код стандартной точности GPS передается со скоростью 1,023 Мб/с с периодом повторения 1 мс, а код высокой точности GPS передается со скоростью 10, 23 Мб/с и периодом повторения – одна неделя. Для понимания принципов формирования дальномерных кодов рассмотрим формирование С\А кода в аппаратуре ГЛОНАСС. Схема генератора С/А кода приведена на Рис. 4.

Рис.4. Схема генератора С/А кода.

Дальномерный С/А код в системе ГЛОНАСС представляет псевдослучайную последовательность, выдаваемый со скоростью 511 Кб/с и периодом повторения Формирующий полином: G(x) 1x5 x9. «1» означает, что изначально все регистры устанавливаются в единичные состояния. Обратная связь обеспечивается подачей на вход сдвигового регистра результатов суммирования по модулю 2 выходов пятого и девятого разрядов. Дальномерный код снимается с седьмого разряда девятиразрядного регистра сдвига. Общий вид псевдослучайного кода приведен на Рис.5.

Рис.5. Общий вид псевдослучайного кода.

Рассмотрим структуру и порядок выдачи навигационных сообщений.

45. Порядок формирования навигационного сигнала открытого типа в снс gps. Функционирование Блока генерации (слайд).

Полное сообщение в системе GPS (Рис.6) составляет 25 страниц (фреймов) и передается в течение 12,5 минут. Каждая страница разделена на пять подфреймов, имеет длину 1 500 бити передается за 30 секунд. Подфреймы с 1 по 3 одинаковы для всех 25 страниц. Подфрейм 1 содержит значения времени передающего спутника, а также информацию о состоянии спутника и оценку позиционной точности спутника. Подфреймы 2 и 3 содержат данные эфимерид передающего спутника и время, на которое рассчитаны эфемериды. Эти данные обеспечивают очень точную информацию о спутниковой орбите. Подфрейм 4 содержит данные альманаха только об одном из спутников с номерами от 25 до 32 (каждый подфрейм может передать данные только одного спутника). Подфрейм 5 содержит данные альманаха только об одном из спутников с номерами от 1 до 24 (каждый подфрейм может передать данные только одного спутника). Вышесказанное означает, что приемник получает все значения часов и данные эфимерид от передающего спутника каждые 30 секунд, а полный альманах – каждые 12, 5 минут. Страница 25 передает информацию о состоянии спутников.

РИС. 6. Структура навигационного сообщения GPS

46. Структура и особенности навигационного сообщения «глонасс» (слайд).

Навигационное сообщение ГЛОНАСС (Рис.7) передается в виде суперкадра, состоящего из 5-ти кадров. Суперкадр передается в течение 2,5 мин, кадр – 30 сек. Навигационные кадры с первого по четвертый идентичны. В пятом кадре две последние строки являются резервными. В каждом кадре в строках с первой по четвертую передается оперативная информация, содержащая эфемериды своего КА. В строках с 5-й по 15-ю передается неоперативная информация (альманах) для пяти КА. В последнем кадре передается альманах по 4-м КА. Таким образом, пользователь получает эфемериды каждые 30 секунд (как и в GPS), а весь альманах – через каждые 2,5 минуты.

Рис. 7. Структура навигационного сообщения ГЛОНАСС

Наземная система управления и контроля (управляющий сегмент) (Рис. 8) предназначена для управления работой космических аппаратов, сбора необходимой информации для вычисления прогнозируемых параметров орбит, закладки данных в процессоры спутников, формирования системного времени, синхронизации его относительно координатного времени (UTC).

КС₃

КС₁

КС₂

Рис.8. Наземная система управления и контроля

Наземная система включает главную станцию управления (ГСУ), несколько контрольных станций (КС) и станции закладки служебной информации (СЗ).

Контрольные станции – это автоматические центры слежения за сигналами спутников и сбора информации, необходимой для коррекции эфемерид и бортового времени спутников относительно временной шкалы GPS или ГЛОНАСС (для спутников ГЛОНАСС). Контрольные станции управляются с ГСУ. На каждой контрольной станции имеется многоканальный приемник потребителя, квантовый стандарт частоты с устройством формирования временной шкалы, датчики внешних (метеорологических) данных и процессор вычислителя с интерфейсом. Процессор управляет сбором данных со спутников. Так как координаты станций определены с высокой точностью из геодезических измерений, то на станциях формируются пакеты точных положений спутников на орбитах. Для периодических высокоточных измерений дальностей до спутников используются также кванто-оптические станции, оснащенные лазерными дальномерами. Собранные контрольными и кванто-оптическими станциями данные передаются по линиям связи на ГСУ.

Главная станция управления является центром сбора и обработки данных для вычисления прогнозируемых эфемерид и параметров спутниковых часов. Шкала времени главной станции управления является опорной, а стандартчастоты – эталонным для всей системы GPS или соответственно системы ГЛОНАСС. Периодически производится сверка временных шкал ГСУ (GPS и ГЛОНАСС) со шкалой универсального координатного времени UTC. В главной станции управления осуществляется окончательная математическая обработка данных, полученная ото всех станций слежения GPS или ГЛОНАСС. В результате обработки полученной информации вычисляются новые эфемериды положений спутников на орбите и ошибки бортовых часов.

Корректирующая информация через станции закладки данных передаются на спутники. Состав корректирующей информации:

- поправки во временные шкалы;

- поправки в эфемериды орбит и спутников системы;

- информация о конфигурации и состоянии космических аппаратов всей системы, их альманахи;

- другие параметры.

Сформированные наземным командно-измерительным комплексом наборы данных передаются на каждый спутник не реже одного раза в сутки. Наборы данных рассчитываются математически на каждые полчаса суток и автоматически вносятся в служебную информацию излучающего сигнала спутника.

Кроме этих функций, командно-измерительный комплекс контролирует состояние орбитального оборудования спутников. В случае обнаружения сбоев спутник выводится из информационного поля потребителя до окончания профилактических и ремонтных работ, выполняемых дистанционно.

47. Структура и особенности навигационного сообщения gps (слайд).

Наземные станции слежения GPS NAVSTAR располагаются на территориях континентов и островах мировых океанов. Центр управления (главная станция управления) находится в Колорадо-Спрингс (США).

48. Виды навигационных приемников. Типовая структура и принципы функционирования навигационного приемника (слайд).

Приемники СРНС выполняют измерения параметров сигналов, извлекают заложенную в сигналах информацию, производят определения пространственно-временных местоположений. Для этих целей приемник и осуществляют поиск навигационных сигналов нескольких спутников и слежение за ними на определенном временном интервале.

Спутниковые приемники классифицируют в зависимости от количества регистрируемых спутников и вида обрабатываемых сигналов.

По сложности технических решений при регистрации спутников приемники подразделяют:

- на одноканальные, принимающие и обрабатывающие радиосигналы спутников последовательно от одного к следующему;

- на многоканальные, позволяющие принимать и обрабатывать сигналы нескольких спутников параллельно.

Практически все современные приемники являются многоканальными. В зависимости от вида принимаемых и обрабатываемых сигналов приемники подразделяют:

- на одночастотные кодовые, работающие по C/A-коду;

- на двухчастотные кодовые, работающие по С/A и P-кодам;

- на одночастотные кодово-фазовые;

- на двухчастотные кодово-фазовые.

В связи с развитием ГЛОНАСС и внедрением Galileo приемники классифицируют по системности:

- на односистемные, принимающие сигналы только GPS или ГЛОНАСС;

- на двухсистемные, принимающие сигналы от GPS и ГЛОНАСС и обрабатывающие их;

- на трехсистемные, принимающие сигналы GPS, ГЛОНАСС, Galileo. Приемники построены по схеме, приведенной на Рис. 9.

Навигационные приемники принимают от КА сигналы несущих частот с круговой поляризацией.

В блоке преобразователя и усиления осуществляется двойное или тройное преобразование частот, т. е. понижение частоты от единиц гигагерц до единиц мегагерц. Работа блоков приемника на пониженных частотах с дополнительным усилением обеспечивает ускорение обнаружения сигналов космических аппаратов. Работа преобразовательного блока основывается на принципе смешивания входного сигнала с опорными колебаниями, формируемыми синтезатором частот.

Синтезатор вырабатывает гармонические колебания с широким спектром дискретных частот. В качестве эталонного генератора в синтезаторе использован

Рис.9. Функциональная схема приемника

Опорный генератор с кварцевой стабилизацией частот. Применение кварцевого резонатора обеспечивает высокую стабильность частот во всех цепях приемника, в том числе, при формировании временной шкалы для кодовых и фазовых измерений.

Блок управления и вычислительное устройство осуществляют программные операции поиска сигналов спутников и измерения их параметров.

Блок поиска сигналов выполняет задачу обнаружения («захвата») сигнала каждого конкретного спутника. Предварительно, для решения этой задачи, в процессор приемника вводятся альманах космических аппаратов, текущее время и приближенные координаты приемника (объекта).

Так как Р-код значительно сложнее С/А кода, то время поиска КА потребителем (разрешение сигнала) занимало бы очень много времени. Для ускорения обнаружения КА используется С/А –код, с помощью которого производится обнаружение КА в приемнике потребителя.

В связи с непрерывным перемещением спутника относительно приемника происходят изменения двух составляющих в параметрах принимаемого сигнала:

- допплеровское изменение частоты f g;

- изменение дистанции «спутник – приемник», что создает изменение временных задержек iпри прохождении радиосигналами псевдо дальности Ri.

С учетом скорости движения спутников по орбитам (около 4 км/с), интервал допплеровских изменений частот составляет почти 20 кГц, а изменение временных задержек находится в диапазоне от 10-3 до 10-5 с.

Поиск радиосигнала с переменными параметрами сводится к решению задачи обнаружения КА по двум показателям: иf g. Зная на основе альманаха группировку спутников, которые могут в данное время находиться в зоне видимости приемника (созвездие спутников), и приближенно свое местоположение, в вычислительном устройстве определяется диапазон дальностей и диапазон допплеровских сдвигов частот несущих относительно каждого из КА созвездия. Проводятся дискретизация и перебор всех возможных значений из областей определения показателей [min ,max], [ fgmin , fgmax]. Устанавливается шаг дискретизации для каждой пары значений i, fgi, называемой ячейкой. Дальномерные коды на КА и в приемнике формируются синхронно под управлением единой сетки синхрочастот.

Для каждого шага дискретизации в приемнике путем временной задержки формируются копии дальномерного С/А- кода. При поступлении кода от КА он сравнивается с каждой из копий, то есть производится корреляционная обработка принятого сигнала на определенном временном интервале Т.

49. Порядок обнаружения ка навигационным приемником. Функционирование блока поиска сигналов (слайд).

Корреляционная обработка принятого и собственного сигнала приемника позволяет формировать вероятностную функцию, превышение которой над установленным пороговым значением определяет распознавание сигнала конкретного спутника.

Физически и математически корреляционная обработка выглядит следующим образом:

Т

I(T,,fg)y(t)h(t) cos[2 (f0fg)t]dt,

0

где: y(t) – принятый от спутника сигнал преобразованной частоты;

h(t)– сигнал, формируемый в приемнике, обеспечивающий перебор временных задержек;

f0 – частота сигнала приемника;

fg– частоты, формируемые в приемнике, с пошаговым изменением в диапазоне допплеровских частот;

T– наблюдаемый временной интервал.

Для исключения искажений и зашумления в приемнике формируются синфазная и квадратурная составляющая функции. Она имеет вид:

Т

Q(T,,fg)y(t)h(t) sin[2 (f0fg)t]dt,

0

Формируется корреляционная функция вида:

2 2 2

(T,,fg)I(T,,fg)Q(T,,fg).

2

Если (T,,fg)больше порогового значения, то принимается решение о захвате» спутника и приемник переходит в режим непрерывного сопровождения и направляет сигнал для измерения параметров. В случае не обнаружения сигнала спутника ПУ производится его дальнейший поиск. Схема блока поиска сигналов приведена на Рис.10.

y·h·cos[-)]

y·h·sin[-)]

y(t)

X²

τ_i

h(t-τ_i)

f_gi

f₀

sin[2π(f₀+f_gi)]

Рис.10. Схема блока поиска сигналов

X – перемножитель сигналов;

СЧ – синтезатор частоты;

ОГ – опорный генератор;

π/2 – фазоинвертор (сдвиг фазы на 90°);

 - интегратор;

ГК ПСП – генератор кодов псевдослучайной последовтельности;

БУСЧ – блок управления сдвигом частоты;

БУЗК – блок управления задержкой кода;

ПУ – пороговое устройство;

БУП – блок управления поиском

После «захвата» сигнала проводится процедура отслеживания и измерения параметров сигнала. В связи с движением спутника по орбите, частота посылаемого на Землю сигнала изменяется («эффект Допплера»). Поэтому с помощью автоматической подстройки частоты приемника сигнал непрерывно удерживается в частотном диапазоне 50 Гц.

50. Порядок определения псевдодальности навигационным приемником (слайд).

Узел определения псевдодальности (Рис.11) конструктивно размещен в опорном генераторе, синтезаторе частот и блоке измерения.

от Вып. y

Рис.11. Схема узла определения псевдодальности

y(t) – входной сигнал;

Х – перемножитель синалов;

 - интегратор;

ГПСП – генератор псевдослучайной последовтельности;

ОГ – опорный генератор;

СЧ – синтезатор частот;

ИВИ – измеритель временных интервалов

Программой микропроцессора приемника формируется кодовая последовательность, направляемая в генератор псевдослучайной последовательности (ГПСП).Сигнал ГПСП поступает в коррелятор, в котором определяются его запаздывания относительно принятого со спутника сигнала. При наблюдении сотен тысяч периодов этих сигналов в корреляторе возникает разница во временных интервалах, которая определяется в измерителе временных интервалов (ИВИ).

Таким образом определяется время распространения сигнала от КА до приемника. Для более точного определения времени задержки в системах военного назначения может измеряться задержка фазы приятого сигнала f1.