Конспект до теми 7. (Основні задачі ГНСС-приймачів)

1.ОСНОВНІ ЗАДАЧІ ГНСС-ПРИЙМАЧІВ

1.1.Селекція сигналів від різних супутників

Одна з особливостей роботи супутникової ГНСС-апаратури користувача полягає в тому, що в процесі виконання вимірювань на вхід приймача одночасно надходять радіосигнали від різних супутників, що знаходяться в полі зору. При цьому одна з функцій ГНСС-приймача полягає в здатності розділяти ці сигнали. В геодезичних ГНСС-приймачах ця задача вирішується за рахунок введення в схему приймача відповідної кількості каналів (зазвичай по числу прийнятих супутників), при чому кожен канал повинен обробляти інформацію тільки від одного супутника.

При реалізації багатоканальної радіоприймальної апаратури, в якій кожен канал має бути пристосований для виділення даного сигналу з усієї сукупності що надходить на вхід приймача сигналів, найчастіше застосовують просторові,

часові або частотні методи селекції.

Просторова селекція передбачає наявність напрямлених антен, що для ГНСС-системи неприйнятно. Часова селекція, що базується на розносі в часі радіосигналів від різних супутників, також не задовольняє поставлені вимоги,

тому, що сигнали від різних супутників поступають на вхід приймача одночасно.

У супутниковій системі ГЛОНАСС застосований частотний метод селекції, для реалізації якого кожен з супутників випромінює радіосигнали на несучих частотах, характерних тільки для конкретного супутника. Такий підхід створює суттєві труднощі при виконанні високоточних фазових вимірювань з використанням диференціальних методів, так як строге врахування часових апаратних затримок, що залежать від частоти, являється при цьому досить складним завданням.

В системі GPS використаний дещо інший, нестандартний метод розділення сигналів від різних супутників, що отримав в літературі назву структурної селекції. При такому способі передача сигналів з різних супутників здійснюється на одній і тій же несучій частоті, а для розділення

1

використовується їх структурна відмінність, зокрема, розходження в структурі кодових сигналів. З урахуванням цього розглянутий спосіб селекції називають також кодовим розділенням.

У наведеній схемі (рис. 12), що припускає застосування структурної селекції, розділення сигналів, їх подальше відстеження і вимірювання відповідних властивих таким сигналам параметрів здійснюється на основі роботи блоків автоматичного підстроювання часу (АПВ), автоматичного підстроювання частоти (АПЧ) і автоматичного підстроювання фази (ФАПЧ), а

також на основі використання характерних для кожного супутника і для кожної несучої частоти відповідних кодових сигналів (для частоти L1 - С / А-коду, а

для частоти L2 - Р-коду).

Рис. 12 Спрощена функціональна схема багатоканального ГНСС-приймача

Контрольний канал стеження введений в схему з метою здійснення контролю за сталістю часових затримок сигналів у різних каналах. Управління всіма режимами роботи каналів і первинна обробка результатів спостереження здійснюється за допомогою процесора.

При здійсненні структурної селекції широко використовується кореляційний принцип порівняння прийнятих від супутника і сформованих на місці сигналів. При цьому характерні для системи GPS кодові сигнали розглядають як псевдошумові, одна з особливостей яких полягає в тому, що при кореляційному перемножуванні двох псевдошумових сигналів на виході кореляційного перемножувача різке зростання сигналу, що свідчить про сильну кореляційну залежність двох перемножуваних сигналів, відбувається тільки в

2

тому випадку, якщо згадані кодові (псевдошумові) сигнали мають однакову,

збігається в часі структуру. Виходячи з цього, при здійсненні структурної селекції у приймальній апаратурі користувача повинна бути передбачена можливість формування сигналу відгуку, структура якого точно відповідає структурі сигналу від даного супутника.

Для часового співпадіння двох порівнюваних сигналів до складу формувача місцевого сигналу відгуку повинна бути введена відповідна, плавно перебудовувана лінія затримки. Така система автоматичного підстроювання часу (АПВ) у поєднанні з кореляційним перемножувачем дозволяє не тільки відокремити сигнал даного супутника від сигналів, характерних для інших супутників, але й зробити вимірювання псевдовіддалі між супутником і приймачем на основі застосування кодових сигналів.

Поряд з розглянутим вище кодовим поділом при виконанні фазових вимірювань в GPS-приймачах виникає необхідність використання переданих з супутника гармонійних несучих коливань, які в апаратурі користувача

«очищаються» від модульованих кодових сигналів і від навігаційного повідомлення. Оскільки передача з усіх GPS-супутників здійснюється на одних і тих же несучих частотах, то через взаємний вплив несучих коливань,

випромінюваних різними супутниками, можуть виникнути небажані спотворення сигналів, що використовуються при фазових вимірах. З

урахуванням цього поряд зі структурною селекцією в GPS-приймачах передбачається також додаткова частотна селекція, застосування якої базується на тому факті, що через допплерівський ефект частоти сигналів, що надходять на вхід приймача від різних супутників, виявляються різними.

Розрахункові та експериментальні дані свідчать про те, що значення допплерівських зміщень частоти в системі GPS оцінюються величинами в кілька кілогерц. Тому використання досить вузькополосних фільтрів, що підключаються після усунення модуляції з смугою пропускання на рівні 100 Гц,

дозволяє достатньо ефективно вирішувати задачу, пов'язану з відділенням гармонійних коливань, випромінюваних даним супутником, від аналогічних коливань, що надходять на вхід приймача від інших супутників.

3

1.2.Методи пошуку, захоплення і відстеження сигналів від різних

супутників

Використовувані в геодезичних ГНСС-приймачах методи спостережень базуються на можливості оперативного виявлення переданих конкретним супутником сигналів, їх захоплення і утримання напротязі усього періоду спостережень. Для реалізації такої можливості в приймач вводять пристрої пошуку, захоплення та відстеження сигналів, що надходять від спостережуваного супутника.

Принцип дії системи пошуку сигналів від потрібного нам супутника заснований на використанні описаних вище методів структурної та допоміжної частотної селекції. При цьому для формування місцевого сигналу відгуку, що є точною копією переданого з даного супутника сигналу, за допомогою відповідних автоматично працюючих пристроїв проводиться послідовний перебір можливих варіантів структурних побудов кодових сигналів, їх зсуву в часі, а також значень несучих частот з урахуванням їх допплерівського зсуву.

На рисунку 13 наведено спрощену функціональну схему, що пояснює принцип пошуку сигналів у ГНСС-приймачі

Рис. 13 Спрощена функціональна схема, що пояснює принцип пошуку сигналів у ГНСС-приймачі

Центральним вузлом в даній схемі є блок управління пошуком, який видає команди для роботи блоків управління місцевим кодовим генератором і лінією

4

затримки, а також для блоку управління зміщенням частоти.

По команді, що надходить від блоку управління пошуком, блок управління кодовим генератором здійснює послідовне перемикання структур кодових сигналів, характерних для різних ГНСС-супутників, що входять у «сузір'я».

Разом з тим з допомогою блоку управління зміщенням частоти здійснюється підбір такої частоти місцевого генератора, яка узгоджується з частотою прийнятого сигналу від даного супутника з впливом ефекту Допплера.

В результаті роботи зазначених вище блоків управління вдається на виході фазового модулятора підібрати такий місцевий сигнал відгуку, який характеризується максимальним кореляційним взаємозв'язком з прийнятим сигналом. Така кореляційна відповідність обумовлює різке збільшення сигналу на виході змішувача, який суттєво перевищує рівень шуму, в якості якого можна розглядати всі поступаючі на вхід приймача сигнали від інших супутників.

Після відповідного посилення, детектування і фільтрації згаданий сигнал подається на часовий селектор, а з останнього - на пороговий пристрій. За допомогою часового селектора здійснюється вибірка узгодженого в часі сигналу від супутника з сигналом, який формується в приймачі. В пороговому пристрої проводиться порівняння сигналу вибірки з встановленим в даній пристрої порогом. При перевищенні порогового значення в блок управління пошуком надходить сигнал, що свідчить про захоплення даного сигналу, на основі чого пошук припиняється або здійснюється перехід до пошуку чергового супутника.

На основі аналізу роботи системи пошуку встановлено, що число комутованих при пошуку переборів можливих комбінацій формування місцевого сигналу відгуку обчислюється тисячами. В результаті цього на пошук сигналів окремих супутників може витрачатися час від декількох десятків секунд до декількох хвилин.

Описаний вище принцип пошуку сигналів від конкретних супутників вирішує одночасно і завдання, пов'язані з захопленням і утриманням цих сигналів протягом усього періоду спостережень за винятком тих ситуацій, коли

5

в процесі спостережень через вплив різного роду перешкод (наприклад, через екранування) відбувається втрата прийнятих сигналів.

1.3.Демодуляція прийнятих сигналів

При виконанні вимірювань відстаней до супутників, а також з метою отримання інформації, переданої у складі навігаційного повідомлення, виникає необхідність виділення зі складу модульованих коливань всіх необхідних сигналів, на основі яких виконуються згадані процедури. До таких сигналів відносяться кодові сигнали, за допомогою яких визначають грубі значення відстаней (псевдовідстаней), гармонійні коливання з частотою биття,

використовувані для отримання точних значень відстаней до супутника (фазові вимірювання), а також бінарні сигнали, що несуть в собі різну вимірювальну і службову інформацію прийнятих сигналів.

Всі перераховані сигнали передаються з супутника в складі модульованих по фазі несучих коливань. Їх поділ у приймальні апаратурі користувача здійснюється на основі процесу, що отримав назву демодуляції. Слід зауважити, що процедура демодуляції нерозривно пов'язана з розглянутими вище методами селекції, пошуку, захоплення та відстеження сигналів від супутників. При цьому найбільшого поширення набув кодово-кореляційний метод (рис. 14) реалізації зазначених процедур.

Рис. 14 Кодово-кореляційний метод демодуляції прийнятих ГНСС-сигналів.

6

Наведена на схемі замкнута петля відстеження кодових сигналів використовується для автоматичного захоплення і відстеження згаданих сигналів від вибраного супутника.

Генератор кодових сигналів, шо входить до складу замкнутого ланцюга з регульованою лінією затримки дозволяє сформувати місцевий кодовий сигнал,

що співпадає з прийнятим від відібраного супутника кодовим сигналом не тільки за своєю структурою, але і узгоджений з ним у часі з необхідною точністю.

Оскільки прийнятий кодовий сигнал несе в собі інформацію про покази годинника на супутнику, то синхронізований з ним в часі кодовий сигнал місцевого генератора може бути використаний для реєстрації показань супутникових годинників, а значить і для отримання інформації для відліку точного часу. За допомогою лічильника реєструється тимчасове зміщення показів годинника на супутнику і в приймачі. За величиною цього зміщення визначається значення псеввіддалі. Часовий зсув часто називають фазовим зміщенням кодових сигналів. Для відтворення синфазних гармонійних коливань, що не піддаються впливу кодових сигналів і сигналів навігаційного повідомлення, використовується інша замкнута петля відстеження фази несучих коливань (система ФАПЧ), реалізована на основі керованого по напрузі і синхронізованого по фазі місцевого генератора гармонійних коливань.

В схему такого ланцюга зворотного зв'язку поряд зі згаданим генератором входять також (на схемі не показані) квадратурний фазовий дискримінатор і блок управління. Перший з них дозволяє отримати на своєму виході сигнал,

величина якого пропорційна фазового зсуву між прийнятими та місцевими коливаннями, причому цей сигнал НЕ схильний до впливу модульованих кодових і навігаційних сигналів. Що стосується схеми управління, то за рахунок її впливу на синхронізований генератор величина сигналу на виході фазового дискримінатора зводиться до нуля, забезпечуючи тим самим збіг по фазі прийнятих та місцевих гармонійних коливань. В результаті з'являється можливість використовувати при фазових вимірах замість «зашумленних» прийнятих від супутника гармонійних коливань вільні від такого впливу

7

гармонійні коливання місцевого генератора, які надходять на вхід фазовимірювального пристрою.

Для відновлення в ГНСС-приймачі навігаційного повідомлення, що передається з супутника в бінарній формі, використовується зазначений на схемі демодулятор навігаційного повідомлення, робота якого базується на взаємодії модульованих по фазі прийнятих коливань з модельованими гармонійними коливаннями, виробленими місцевим синхронізованим генератором. У результаті порівняння згаданих сигналів вдається за допомогою фільтра низьких частот виділити бінарний низькочастотний сигнал навігаційного повідомлення, який надходить в дешифратор з метою відновлення закодованої інформації, що міститься в переданому навігаційному повідомленні.

1.4.Системи управління ГНСС-приймачем

Описаний вище принцип роботи ГНСС-приймача свідчить про те, що в процесі підготовки та проведення супутникових спостережень виникає необхідність виконання численних операцій, пов'язаних з оперативним управлінням роботою різних вузлів приймача. Крім того, безпосередньо в приймачі проводиться попередня обробка одержуваної інформації та її реєстрація за допомогою тих чи інших запам'ятовуючих пристроїв. Для реалізації всіх цих операцій до складу приймача вводиться відповідна спеціалізована мікро ЕОМ, що включає в себе процесори, таймер, різні запам'ятовуючі пристрої (ОЗУ і ПЗУ), інтерфейсні плати для стикування з пультом управління і індикації, з зовнішньою реєструючою апаратурою, а

також інші характерні для обчислювальної техніки вузли. Управління роботою такого обчислювального комплексу здійснюється пультом управління та індикації, за допомогою введеної в приймач програми.

8

Надалі в приймачі підтримується режим відстеження захоплених сигналів і періодичне взяття відліків, що використовуються при обчисленні відстаней до супутників і для реєстрації показів точного часу.

У більш загальному уявленні система управління приймачем дозволяє також керувати потоком одержуваної інформації, проводити попередню обробку даних, відображати на табло дисплея інформацію, яка цікавить оператора, проводити самодіагностику правильності функціонування приймача,

контролювати джерела живлення і виконувати цілий ряд інших операцій.

Для ілюстрації приведена спрощена структурна схема системи управління

GPS-приймача, на якій відображені сполучний модуль загального управління і супідрядні модулі, що виконують як управлінські функції, так і функції,

пов'язані з попередньою обробкою даних в приймачі.

Рис. 16 Спрощена схема управлінських функцій приймача

Присутній у складі даної схеми модуль загального управління виконує розподільчі функції, а також цілий ряд допоміжних функцій (зокрема, вибір різних режимів роботи приймача).

Система управління підготовкою приймача до спостережень та процесом їх проведення здійснює описану вище послідовність операцій, які реалізуються на стадії підготовки приймача до спостережень та в процесі їх проведення.

За допомогою системи первинної обробки даних здійснюється весь комплекс обчислювальних операцій, що дозволяє оперативно безпосередньо в приймачі отримувати деякі кінцеві результати спостережень (наприклад,

10