Алгоритмы приема спутниковых радионавигационных сигналов

Навигационные сообщения

Структурное деление навигационной информации спутников системы GPS осуществляется на суперкадры, кадры, подкадры и слова. Суперкадр образуется из 25 кадров и занимает 750 с (12,5 мин). Один кадр передаётся в течение 30 с и имеет размер 1500 бит. Кадр разделён на 5 подкадров по 300 бит и передаётся в течение интервала 6 с. Начало каждого подкадра обозначает метку времени, соответствующую началу/окончанию очередного 6-с интервала системного времени GPS. Подкадр состоит из 10 30-бит слов. В каждом слове 6 младших разрядов являются проверочными битами.

В 1-, 2- и 3-м подкадрах передаются данные о параметрах коррекции часов и данные эфемерид КА, с которым установлена связь. Содержание и структура этих подкадров остаются неизменными на всех страницах суперкадра. В 4- и 5-м подкадрах содержится информация о конфигурации и состоянии всех КА системы, альманахи КА, специальные сообщения и прочее.

Вопросы для самоконтроля:

8. Для генерации спутниковых сигналов системы ГЛОНАСС используется модуляция по:

· фазе;

· амплитуде;

· частоте.

9. Какие из нижеперечисленных сигналов складываются по модулю 2 для получения модулирующего сигнала системы ГЛОНАСС?

· псевдослучайный дальномерный код;

· шифрующая последовательность;

· меандровое колебание;

· последовательность навигационных данных.

10. Какой тип разделения каналов используется в системах ГЛОНАСС и GPS?

· ГЛОНАСС и GPS - частотное;

· ГЛОНАСС и GPS - кодовое;

· ГЛОНАСС – кодовое, GPS - частотное;

· ГЛОНАСС – частотное, GPS - кодовое.

11. Для приема закрытого сигнала приемник:

· постоянно генерирует сигнал синхронно со спутником;

· генерирует небольшой фрагмент сигнала, определяя нужную начальную фазу по Z-отсчетам.

12. Навигационное сообщение каждого спутника включает:

· информацию обо всех спутниках системы;

· информацию только о собственном состоянии.

Приёмник можно разделить на четыре функциональные части:

- антенна

- радиочастотную часть;

- цифровой коррелятор;

- процессор.

Рисунок 17 - Структура приемника сигналов

Современные навигационные приёмники являются аналого-цифровыми системами. Переход на цифровую обработку осуществляется на одной из промежуточных частот, при этом имеет место тенденция к её повышению. Увеличение промежуточной частоты для системы ГЛОНАСС обусловлено желанием разработчиков перенести разделение по различным каналам в цифровую часть.

Рисунок 18 - Функциональная схема приемника сигналов

В качестве антенны обычно используется микрополосковая антенна, обладающая малой массой и габаритными размерами и простотой изготовления. Микрополосковая антенна состоит из двух параллельных проводящих слоёв, разделённых диэлектриком. Нижний проводящий слой является заземлённой плоскостью, а верхний - излучателем антенны. По форме излучатель может быть прямоугольником, эллипсоидом, пятиугольником и так далее. Микрополосковая антенна обеспечивает всенаправленный приём сигналов.

Типичные характеристики антенны (для рабочего диапазона частот 1570–1625 МГц):

- обеспечение работы в тракте с волновым сопротивлением 50 Ом;

- коэффициент стоячей волны (КСВ) - не более 2;

- коэффициент эллиптичности антенны в зените не менее 3,5;

- минимальное значение коэффициента усиления относительно изотропного излучателя с круговой поляризацией - 5–8 дБ.

В антенне может быть установлен предварительный усилитель. Он нужен для усиления сигнала до такого уровня, чтобы при передаче по кабелю (20–40 м) до входа в радиочастотную часть приёмника сигнал был достаточно мощным. Предварительный усилитель обеспечивает в рабочем диапазоне частот коэффициент усиления Ку ~ 30–40 дБ и коэффициент шума Кш 2,5.

С выхода антенно-фидерного устройства сигнал поступает на радиочастотную часть. Основная задача этой части заключается в усилении входного сигнала, фильтрации, преобразовании частоты и аналого-цифровом преобразовании. С выхода радиочастотной части цифровые отсчёты входного сигнала поступают на вход цифрового коррелятора.

В корреляторе спектр сигнала переносится на "нулевую" частоту. Это производится путём перемножения входного сигнала коррелятора с опорным гармоническим колебанием в синфазном и квадратурном каналах. Далее результат перемножения проходит корреляционную обработку путём перемножения с опорным дальномерным кодом и накоплением на периоде дальномерного кода. В итоге получаем корреляционные интегралы I и Q. Отсчёты корреляционных интегралов поступают в процессор для дальнейшей обработки и замыкания петель ФАП (фазовая автоподстройка) и ССЗ (схема слежения за задержкой). Измерения параметров сигнала в приёмнике производятся не непосредственно по входному сигналу, а по его точной копии, формируемой системами ФАП и ССЗ. Корреляционные интегралы I и Q позволяют оценить степень "похожести" (коррелированности) опорного и входного сигналов. Задача коррелятора, помимо формирования интегралов I и Q, - формировать опорный сигнал, согласно с управляющими воздействиями (кодами управления), поступающими с процессора. Кроме того, в некоторых приёмниках коррелятор формирует необходимые измерения опорных сигналов и передаёт их в процессор для дальнейшей обработки. В то же время, так как опорные сигналы в корреляторе формируются по управляющим кодам, поступающим с процессора, то необходимые измерения опорных сигналов можно производить непосредственно в процессоре, обрабатывая соответствующим образом управляющие коды.

Корреляционные интегралы, формируемые в корреляторе, позволяют отследить модуляцию сигнала спутника символами информации и вычислить метку времени во входном сигнале. Метки времени следуют с периодичностью 6 с для GPS и 2 с для ГЛОНАСС и образуют своеобразную 6(2)-секундную шкалу. В пределах одного деления этой шкалы периоды дальномерного кода образуют 1-мс шкалу. Одна миллисекунда разделена, в свою очередь, на отдельные элементы (chips, в терминологии GPS): для GPS - 1023, для ГЛОНАСС - 511. Таким образом, элементы дальномерного кода позволяют определить дальность до спутника с погрешностью ~ 300 м. Для более точного определения необходимо знать фазу генератора дальномерного кода. Схемы построения опорных генераторов коррелятора позволяют определять его фазу с точностью до 0,01 периода, что составляет точность определения псевдодальности 3 м.

На основании измерений параметров опорного гармонического колебания, формируемого системой ФАП, определяют частоту и фазу несущего колебания спутника. Его уход относительно номинального значения даст доплеровское смещение частоты, по которому оценивается скорость потребителя относительно спутника. Кроме того, фазовые измерения несущей позволяют уточнить дальность до спутника с погрешностью в несколько см.

Для приёмников системы GPS с кодовым разделением каналов (сигналов различных спутников) схема на рисунке 18 отображает структуру приёмника в целом, то есть радиочастотная часть является общей и разделение по спутникам производится уже в цифровом блоке коррелятора. Для приёмников системы ГЛОНАСС или совмещённых приёмников схема радиочастотной части может существенно отличаться.

Существует несколько вариантов построения радиочастотных частей навигационного приёмника ГЛОНАСС или совмещенного приемника. Первоначально была предложена многоканальная схема, в которой каждый радиочастотный канал приёмника настроен на частоту одного из видимых спутников.

Схемы приёмников первого типа построены таким образом, что весь узкий спектр GPS попадает в один радиочастотный тракт, а широкий спектр ГЛОНАСС разбивается на несколько диапазонов, каждому из которых соответствует свой радиочастотный тракт. Сигналы от спутников ГЛОНАСС, попадающие в разные диапазоны спектра, имеют разные фазовые искажения, так как проходят через разные радиочастотные части. Поэтому для использования фазовых измерений по ГЛОНАСС в приёмнике, построенном по такой схеме, необходимо оценить искажения, вносимые каждым каналом.

Фазовые искажения в каждом канале можно оценить и вносить в результаты измерений. Однако величина искажений зависит от многих малостабильных факторов, таких как температура, влажность и так далее. Таким образом, полностью учесть величину искажений невозможно.

Преимуществом пользуются приемники второго типа, в которых спектр сигналов изменяется посредством гетеродинирования и фильтрации, и все сигналы ГЛОНАСС получают возможность проходить по одному тракту.

Вопросы для самоконтроля:

13. Выберите неверное утверждение:

· приемники спутниковых сигналов являются аналогово-цифровыми системами;

· наиболее часто в приемниках используются микрополосоковые антенны;

· измерения параметров сигнала производятся по его копии, формируемой системами ФАП и ССЗ;

· необходимость использования нескольких каналов радиочастотной части возникает при приеме сигналов системы GPS;

· коррелятор позволяет определить степень похожести опорного и входного сигналов.

14. Для увеличения точности измерений в приемниках используются:

· измерение фазы несущей частоты сигнала;

· оценка скорости движения потребителя по доплеровскому уходу частоты сигнала;

· определение фазы генератора дальномерного кода.

Дата добавления: 2014-01-07