Сигналы в СРНСGPS

Для исключения ионосферной рефракци­онной ошибки в системе предусмотрено излучение радионавигацион­ных сигналов и на двух когерентных (синхронизированных) не­сущих частотах и , каждая из которых образуется умножением ба­зовой опорной частоты 10,23МГц на соответствующий коэффициент:

- сигнал на частоте = 1575,42 МГц;

- сигнал на частоте = 1227,60 МГц.

Таким образом, частотный разнос сигналов и составляет 347,82 МГц или 28,3% по отношению к частоте .

Каждый из сигналов и представляет собой высокочастотные колебания, которые модулированы псевдослучайными двоичными по­следовательностями. Эта процедура называется фазовой манипуляцией (ФМн) и заключается в переключении фазы несущих колебаний в соот­ветствии с заданным кодом через фиксированные интервалы времени.

Пример ФМн последовательности изображен на рисунке 5.5.

Рисунок 5.5 - Временные диаграммы двоичной кодовой последовательности и соответствующего ФМн сигнала (0°, 180°)

Фазовая манипуляция сигналов НИСЗ, осуществляется тремя ко­дами:

- открытый С/А-код для гражданских потребителей;

- закрытый Р-код для военных (санкционированных) потребителей;

- служебный D-код.

Частота (сигнал ) модулируется двумя видами кодов: С/А-кодом (открытым) и Р-кодом (закрытым), а частота (сигнал ) - только закрытым Р-кодом (рисунок 5.6). Кроме того, обе несущие частоты дополнительно кодируются служебным D-кодом, в котором со­держится информация о параметрах орбит всех спутников GPS, о со­стоянии атмосферы, поправки системного времени и т.п.

Рисунок 5.6 - Принцип кодирования сигналов НИСЗ GPS

Сигнал служит для ионосферной коррекции результатов измерений, полученных по сигналу , и не содержит кода С/А, а включает только труднообнаруживаемый закрытый Р-код. Поэтому устранение погрешности из-за ионосферной рефракции возможно только для военных П, имеющих высокоточную аппаратуру, способную обрабатывать труднообнаруживаемый сигнал на частоте .

Кодирование излучаемого спутником радиосигнала преследует не­сколько целей:

- обеспечение возможности синхронизации сигналов НИСЗ и приемоиндикаторной аппаратуры П;

- создание наилучших условий различения сигнала в аппаратуре приемника на фоне шумов (известно, что используемые псевдослучай­ные коды обладают высокой помехоустойчивостью);

- реализация режима ограниченного доступа к GPS, когда высокоточные измерения возможны лишь при знании ключевых кодов.

Высокоточный закрытый дальномерный код Р (precision/protected - точный/защищенный) - это сложный псевдошумовой код, обеспечивающий высокую точность местоопределения, скрытность, защиту от искусственных помех и предотвращение использования системы противником. Для этого выбран очень большой период псевдошумового Р-кода - около 267 суток, что соответствует длине неповторяющейся кодовой последовательности 23∙10¹² символов. Каждый НИСЗ передает свой семисуточный отрезок этой кодовой последовательности. Код полностью обновляется один раз в 7 суток. Тактовая частота синхрони­зации Р-кода составляет 10,23 МГц, а длительность элементарного символа - менее 0,1 мкс. Для обнаружения этого кода НИСЗ пере­дает наземному П соответствующий кодовый ключ, поэтому до недав­него времени измерения по Р-коду могли выполнять только пользова­тели, получившие разрешение Министерства обороны США.

Сегодня Р-код открыт для гражданских потребителей, но амери­канское оборонное ведомство предприняло меры дополнительной за­щиты Р-кода: в любой момент без предупреждения может быть вклю­чен режим AS (Anti Spoofing), при котором выполняется дополнитель­ное кодирование Р-кода, и он превращается в новый Y-код. Расшиф­ровка Y-кода возможна только аппаратно, с использованием специаль­ной микросхемы (криптографического ключа), которая устанавливает­ся в GPS- приемник.

Кроме того, для снижения точности определения координат не­санкционированными пользователями предусмотрен так называемый «режим выборочного доступа» SA (Selective Availability). При включе­нии этого режима в навигационное сообщение намеренно вводится ложная информация о поправках к системному времени и орбитах ИСЗ, что приводит к снижению точности навигационных определений при­мерно в 3 раза.

Грубый открытый дальномерный код С/А (coarse/clear acquisition - грубо/легко обнаруживаемый) представляет собой импульсы дли­тельностью 1 мкс, следующих с частотой 1,023 МГц. Так как дли­тельность импульсов С/А-кода в 10 раз больше, чем импульсов Р-кода, декодирование последовательности С/А в приемнике осуществляется достаточно просто. Однако точность измерения расстояний с его по­мощью на порядок ниже, чем по Р-коду.

Код свободного доступа С/А предназначен для гражданских П и служит для измерения местоположения объектов с более низкой точно­стью. Кроме того в сигналы С/А до 2001 года искусственно вносились искажения на борту GPS-спутников с целью загрубления навигацион­ных измерений для нелицензионных потребителей.

Для формирования кода С/А используются двоичные последова­тельности Голда, которые получаются в результате перемножения двух двоичных М-последовательностей. Достоинством такого кода является простота его генерации при хороших корреляционных свойствах. Ко­довая С/А-последовательность повторяется с периодом 1 мс (т.е. 1024 символа). Каждый НИСЗ передает свою С/А-кодовую последователь­ность.

Коды С/А и Р формируются от одной и той же опорной частоты и привязаны к одному и тому же моменту времени с погрешностью 5 нс, поэтому сигнал С/А может служить ключом для ускоренного вхожде­ния в синхронизм по коду Р.

Служебный D-код. Кроме дальномерных кодов Р и С/А спутник передает служебную информацию (эфемериды, поправки, альманах и др.) с помощью двоичного служебного кода D (data). Скорость переда­чи служебной информации невелика (около 50 бит/с), поэтому длительность одного символа D-кода близка к 20 мс. Таким образом, один элементарный символ служебной информации D-кода равен по длительности 20 тыс. символов С/А-кода и 200 тыс. символов Р-кода. За счет выбора таких параметров сигналов аппаратура П обеспечивает разделение служебной и дальномерной информации.

Результирующие коды, которые модулируют высокочастотные сигналы передатчика НИСЗ, образуются из дальномерных кодов Р и С/А путем их сложения по модулю 2 с кодом двоичной служебной ин­формации D:

, .

Полученные коды и мо­дулируют по фазе несущую частоту , причем кодом производится фазовая манипуляция (ФМн 0°;180°), а кодом - (ФМн ± 90°). Фазовая диаграмма сигнала изображена на рисунке 5.7. Так как коды и модулируют два ортогональные ком­понента сигнала , сдвинутых на π/2, то их фазовое различение в приемни­ке П не представляет сложностей.

Рисунок 5.7 - Фазовая диаграмма сигнала

Сигнал, излучаемый НИСЗ на частоте , можно представить в виде:

, (5.3)

где и - амплитуды ортогональных компонентов; и - модулирующие коды (±1); - фазовый шум, обусловленный неста­бильностью бортового стандарта частоты НИСЗ.

Структура кодирования и фазовой модуляции сигналов НИСЗ GPS изображена на рисунке 5.8.

Рисунок 5.8 — Структура формирования сигналов

и в системе GPS

Отношения амплитуд компонентов сигнала задаются констан­тами и , причем амплитуда сигнала с С/А-кодом на 3...6 дБ больше, чем сигнала Р-кода. Это наглядно демонстрируют спектраль­ные характеристики сигналов и системы GPS, которые изображе­ны на рисунке 5.9.

Рисунок 5.9 - Спектральная плотность сигналов СРНС GPS

Сигнал , излучаемый на частоте , модулируется по фазе кодовой последовательностью , содержащей только Р-код и D-код:

. (5.4)

Фазовая манипуляция Р-кодом, С/А-кодом и D-кодомсигналов и производится синхронно, что облегчает обнаружение и различение сигналов, обеспечивает хорошее быстродействие и высокую помехо­устойчивость работы двухчастотных приемоиндикаторов GPS.

2. Состав и организация служебной информации.

Структура кадра служебной информации, передаваемой D- кодом, в системе GPS изображена на рисунке 5.10.Скорость передачи информации 50 бит/с. Кадр состоит из пяти строк по 10 слов. Каждое слово содержит 30 дво­ичных символов (0 и 1). Таким образом, один полный кадр передается в течение 30 с и содержит 1500 символов.

Рисунок 5.10- Структура кадра служебной информации GPS

В начале каждой строки передаются телеметрическая (ТЛМ) ин­формация 8 символов и специальное ключевое слово (Ключ), содержа­щее 17 символов. Навигационная информация, передаваемая в кадре, состоит из поправки к временной шкале, эфемерид данного НИСЗ и альманаха - эфемерид остальных спутников системы. Полностью аль­манах передается в течение суперкадра (25 кадров).

Ключевое слово вводится в кадр передаваемой информации, чтобы ускорить вхождение в синхронизм по Р-коду. В ключевом слове зако­дировано количество 6-секундных интервалов, равных длине строки, прошедших с момента исходного состояния кодов в начале недели начало следующей строки. Используя эту информацию, можно декодировать Р-код в период следующей строки кадра.

Декодирование же ключевого слова можно осуществить по легкообнаруживаемому сигналу, поскольку коды С/А, P и D синхронизиро­ваны, а служебная информация D передаётся как по открытому , так и по закрытому сигналам.

Таким образом, минимальный объем данных, необходимый для решения навигационной задачи, заключен в строках 1, 2, 3, содержа­щих поправку к временной шкале, эфемериды и ключевые слова.

На момент времени представления эфемерид потребителю сооб­щаются 6 кеплеровских элементов орбиты: средняя аномалия; эксцен­триситет; корень квадратный из большой полуоси орбиты; долгота вос­ходящего узла: наклонение орбиты; аргумент перигея. Кроме того, пе­редаются коэффициенты уходов: возмущенное значение среднего дви­жения, скорость ухода восходящего узла орбиты.

Альманах, ввиду пониженных требований к точности прогноза, включает ограниченный объем информации о других спутниках GPS. Для расчета поисковых эфемерид всех НИСЗ передаются только шесть кеплеровских элементов орбиты и скорость ухода восходящего узла орбиты, как наибольшее из возмущений, подлежащих учету.

Лекция заканчивается формулировкой кратких выводов по рассматриваемому материалу, изложением рекомендаций для самостоятельной работы и ответами преподавателя на вопросы студентов.

Разработал профессор кафедры СБС

д.т.н _________________ Д. Кучер

Лекция одобрена и утверждена на заседании кафедры СБС протокол №_____ от ___ ___________ 20 г.

Дата добавления: 2014-01-07