1.5.4. Принципы формирования кодовых последовательностей

Из всех перечисленных выше создаваемых на спутнике сигналов наибольшего внимания заслуживают принципы формирования кодовых сигналов как из-за нестандартных подходов к реализации этих принципов, так и из-за необходимости знания характерных особенностей сформированных кодовых последовательностей, используемых при организации приема спутниковых сигналов и выполнения псевдодальномерных измерений.

С учетом отмеченных предпосылок рассмотрим вкратце принцип формирования упомянутых сигналов и в частности характерного для системы GPS общедоступного С/А-кода. В соответствии с общей функциональной схемой (см. рис. 1.3) такой кодированный сигнал формируется на основе использования генерируемых задающим генератором колебаний, частота которых подвергается 10-кратному делению. Образуемая при этом последовательность остроконечных импульсов с периодом следования около 1 мкс поступает на ленточный сдвиговый регистр с обратными связями. Сдвиговый регистр - это набор соединенных между собой однобитовых ячеек памяти. Когда на вход цепочки из сдвиговых регистров поступает импульсный сигнал, содержимое такой последовательности регистров (т. е. их состояние) сдвигается на один бит в направлении к выходу. Для формирования кодового сигнала в цепочку из сдвиговых регистров вводят определенное количество обратных связей, которые по предписанной закономерности будут дополнительно изменять состояние входной ячейки памяти (рис. 1.4).

ч п — ш — { з

Рис. 1.4. Принцип работы используемых в GPS сдвиговых регистров с обратными связями

Приведенная на рис. 1.4 схема получила название ленточного сдвигового регистра с обратными связями. В частности, на приведенной схеме обратные связи организованы за счет передачи состояний

37

3-й и 10-й ячеек на бинарный сумматор, с выхода которого сигнал поступает на вход 1-й ячейки. Если ячейки 3 и 10 имеют разные состояния, то в 1-й ячейке из-за воздействия цепи обратной связи установится уровень равный единице, а если одинаковые — то нулевой уровень. В аналитической форме ленточные сдвиговые регистры с обратной связью принято характеризовать полиномами типа 1 + X3 + X10, где показатель степени соответствует номеру ячейки, участвующей в организации обратной связи.

На G PS-спутниках С/А-код формируется с помощью двух десятибитовых ленточных сдвиговых регистров, один из которых имеет полиномиальное представление в виде 1 + X3 + X10, а другой 1 + X2 + X3 +

4-Х6 + X8 + X9 + X10. На рис. 1.5 приведена взаимосвязь таких регистров.

Р2 1+Х2 + Х3 + Х', + Х* + Х9 + Х10

Выход

Рис. 1.5. Взаимосвязь двух сдвиговых регистров при формировании С/А-кода

Для каждого GPS-спутника формируется свой С/А-код за счет подачи на сумматор сигналов от различных пар ячеек, входящих в состав регистра Р2. Такое семейство кодов получило название кодов Голда, характерная особенность которых состоит в том, что любые две модификации кодов имеют очень слабую перекрестную корреляцию, в результате чего в аппаратуре потребителя облегчается разделение сигналов, которые поступают одновременно от различных спутников.

Полная неповторяющаяся последовательность С/А-кода состоит из 1023 бит, что соответствует длительности равной одной миллисекунде. Форма сигналов, характерная для кодовых последовательностей, приведена на рис. 1.6.

Изображенная на рис. 1.6 форма сигнала свидетельствует о том, что кодированию подвергается длительность посылок единичного и нулевого уровня. Наиболее короткая посылка получила название чипа.

38

Данная элементарная посылка определяет характерную для С/А-кода тактовую частоту, которая, как уже отмечалось ранее, равна 1,023 МГц.

1

t

Рис. 1.6. Характерная форма кодовой последовательности

Формирование санкционированного точного Р-кода базируется на аналогичных принципах за исключением того, что вместо двух используются четыре десятиячеечных сдвиговых регистра. Эти регистры объединяются попарно, образуя последовательности, содержащие соответственно 15 345 ООО и 15 345 037 элементарных посылок. Две упомянутые последовательности объединяются между собой с введением 37 различных задержек с целью формирования 37 различных однонедельных частей Р-кода, каждая из которых характерна только для одного конкретного спутника. В отличие от С/А-кода длительность элементарной посылки равна примерно 0,1 мкс, а период повторения всей кодовой последовательности около 266 суток.

Выбранный принцип формирования Р-кода обеспечивает высокую защищенность от использования его несанкционированными потребителями.

В системе ГЛОНАСС применяется аналогичный метод формирования кодовых сигналов. При этом выбранные коды базируются на использовании М-последовательности, которая применительно к СТ-коду описывается полиномом 1 + X5 + X9, т.е. для организации обратной связи в ленточном сдвиговом регистре используются выходы с 5-й и с 9-й ячеек этого регистра. Как уже отмечалось выше, тактовые частоты для СТ- и ВТ-кодов выбраны равными 0,511 МГц и 5,11 МГц. Уменьшение в 2 раза значений этих частот в сравнении с соответствующими тактовыми частотами, применяемыми в GPS, обусловливает снижение потенциальной точности дальномерных измерений, основанных на использовании соответствующих кодовых сигналов.

39

7.5.5. Содержание и формирование на спутнике навигационного сообщения

При работе с рассматриваемыми системами позиционирования наряду с информационными сигналами, непосредственно участвующими в процессе дальномерных измерений, возникает необходимость в передаче со спутника в наземную аппаратуру целого набора разнообразной информации. Эта информация так или иначе используется потребителем как при выполнении всего комплекса вычислений, связанных с определением местоположений интересующих точек стояния, так и с получением сигналов точного времени.

К такой, получившей название навигационной, информации относятся эфемериды спутника, поправки за показания часов конкретного спутника, время, характерное для рассматриваемой системы, поправки за влияние ионосферы, состояние работоспособности спутника, а также некоторая другая вспомогательная и служебная информация. Весь этот комплекс информации формируется в виде строго предписанной последовательности, составляющей содержание навигационного сообщения.

Формат упомянутого сообщения (рис. 1.7) применительно к системе GPS представляет собой кадр, разделенный на пять субкадров, которые часто называют строками. Каждая строка содержит 10 стандартизированных слов, состоящих из 30 бит. Длительность одного бита — 0,02 с, одного слова — 0,6 с, одной строки - 6 с, а всего кадра — 30 с.

Содержание первого, второго и третьего субкадра повторяется каждые 30 с. Что касается четвертого и пятого субкадров, содержащих достаточно большой объем информации об альманахе, включающем в себя краткую информацию о всем «созвездии» спутников, то они состоят из 25 страниц, на передачу которых затрачивается 12,5 мин.

Каждый субкадр начинается с телеметрического слова (TLM), содержащего сигнал синхронизации и некоторую диагностическую информацию. Второе слово в каждом субкадре представляет собой ключ, который в зарубежной литературе часто условно называют словом передачи (HOW), которое используется для распознавания спутника и идентификации поступающей информации, а также для формирования показаний счета времени (Z-счет).

В первом субкадре передаются признаки отождествления и работоспособности спутника, коэффициенты полинома второй степени, моделирующего поправки к показаниям часов наблюдаемого спутника, информацию о календарном отсчете времени и некоторые другие признаки.

40

30 с

0,02 с

Рис. 1.7. Структура навигационного сообщения системы GPS

Во втором и третьем субкадрах содержится эфемеридный ряд данных с поправками к кеплеровым орбитам, позволяющий потребителю вычислять текущие координаты спутника, относящиеся к тому моменту времени, когда производится измерение расстояния до спутника. Содержание четвертого и пятого субкадров изменяется в каждом последующем кадре, причем информация начинает повторяться через каждые 25 кадров. Таким образом, суммарная информация этих субкадров состоит из 25 страниц, на передачу которых затрачивается 750 с, т. е. 12,5 мин.

Значительное количество страниц в четвертом субкадре резервируется для военного использования. В остальной части содержится информация о поправках за влияние ионосферы, о показаниях времени UTC, а также данные альманаха, т.е. приближенная информация о всех спутниках с номерами, превышающими номинальное «созвездие».

Страницы пятого субкадра посвящены, главным образом, данным альманаха и статусу работоспособности первых 24 спутников, находящихся на орбитах.

Следует заметить, что идентичное содержание страниц четвертого и пятого субкадров передается по радиоканалу каждым спутником. Поэтому при отслеживании только одного спутника можно получить

41