Консультации / Сигналы спутниковых радионавигационных систем

Сигналы СНС GPS

Сигналы GPS

Навигационные космические аппараты (НКА) системы GPS NAVSTAR используют для передачи информации две частоты: L1 и L2. Все НКА вещают на одинаковых частотах и используется кодовое разделение каналов.

Интерфейс системы GPS беззапросный, т.е. НКА излучают радиосигналы на частотах L1 и L2 непрерывно, и любой приемник потребителя, находящийся в зоне радиовидимости НКА, в произвольный момент времени может получать от него навигационную информацию в пассивном режиме.

В общей сложности излучаются три псевдослучайных дальномерных кода:

Р-код, являющийся основным дальномерным кодом. Псевдослучайный дальномерный Р-код, индивидуальный для каждого НКА, далее мы будем обозначать, как Pi(t), где i - индивидуальный номер НКА. Pi(t) представляет собой последовательность длиной 7 дней, со скоростью передачи 10,23 Мб/с. Эта последовательность формируется сложением по модулю 2 двух подпоследовательностей, обозначаемых, как Х1 и Х2i, их длина соответственно 15,345,000 и 15,345,037 элементов. Последовательность Х2i формируется из последовательности Х2 избирательной задержкой на длительность от 1 до 37 элементов, что позволяет сформировать 37 индивидуальных последовательностей Р-кода длиной 7 дней. Из них 32 варианта используются НКА, остальные 5 зарезервированы для иных целей (например, для наземных передатчиков - псевдолитов и т.п.). Взаимосвязь между кодовыми последовательностями и номером НКА показана в табл.1.

Y-код, применяемый вместо Р-кода при включении режима предотвращения преднамеренных помех и несанкционированного доступа к информации A/S (Antispoofing). Y-код представляет собой закрытый Р-код, и доступен для расшифровки только лицензированными пользователями, имеющими соответствующий ключ. Поэтому Y-код принято обозначать как P(Y) код.

Открытый код С/А (Coarse/Acquisition, "грубый захват"), который сначала использовался лицензированными пользователями для первичного вхождения в режим слежения и последующего захвата точного Р или P(Y) кода. Сейчас код С/А находится в распоряжении мирового сообщества для использования в целях позиционирования.

Предусмотрена возможность преднамеренного снижения точности определения координат по коду С/А до уровня 100 м. В настоящее время преднамеренное снижение точности не используется, но может быть вновь введено по решению правительства США.

НКА способны излучать "некорректные" версии С/А и P(Y) кодов для защиты пользователей от приема недостоверных навигационных сигналов, которые могут быть сформированы в результате выхода из строя бортовой системы синтезирования относительных частот. Эти два "некорректных" кода получили название нестандартного С/А (NSC) и нестандартного Y (NSY). Коды NSC и NSY не предназначены для использования потребителями GPS.


      Таблица 1. Набор кодовых последовательностей

Номер НКА

Номер ПСП

Определение кодовой последовательности

Задержка кода, разрядов

Первые 10 разрядов восьмеричного* кода C/A

Первые 12 разрядов восьмеричного P-кода

С/А (G2i)

(X2i)

С/А

P

1

1

2 6

1

5

1

1440

4444

2

2

3 7

2

6

2

1620

4000

3

3

4 8

3

7

3

1710

4222

4

4

5 9

4

8

4

1744

4333

5

5

1 9

5

17

5

1133

4377

6

6

2 10

6

18

6

1455

4355

7

7

1 8

7

139

7

1131

4344

8

8

2 9

8

140

8

1454

4340

9

9

З 10

9

141

9

1626

4342

10

10

2 З

10

251

10

1504

4343

11

11

З 4

11

252

11

1642

I

12

12

5 6

12

254

12

1750

I

13

13

6 7

13

255

13

1764

I

14

14

7 8

14

256

14

1772

I

15

15

8 9

15

257

15

1775

I

16

16

9 10

16

258

16

1776

I

17

17

1 4

17

469

17

1156

I

18

18

2 5

18

470

18

1467

I

19

19

З 6

19

471

19

1633

I

20

20

4 7

20

472

20

1715

I

21

21

5 8

21

473

21

1746

I

22

22

6 9

22

474

22

1763

I

23

23

1 3

23

509

23

1063

I

24

24

4 6

24

512

24

1706

I

25

25

5 7

25

513

25

1743

I

26

26

6 8

26

514

26

1761

I

27

27

7 9

27

515

27

1770

I

28

28

8 10

28

516

28

1774

I

29

29

1 6

29

859

29

1127

I

30

30

2 7

30

860

30

1453

I

31

31

3 8

31

861

31

1625

I

32

32

4 9

32

862

32

1712

I

***

33

5 10

33

863

33

1745

I

***

34**

4 10

34

950

34

1713

I

***

35

1 7

35

947

35

1134

I

***

36

2 8

36

948

36

1456

I

***

37**

4 10

37

950

37

1713

4343

 

Примечания к таблице 1

* В восьмеричной системе для первых 10 разрядов кода C/A, показанных в этой колонке, первая цифра (1) представляет "1" для первого разряда, и последние три цифры являются соответствующим восьмеричным представлением остальных 9 разрядов. (Например, первые 10 разрядов кода C/А для псевдослучайной последовательности №1 выглядят так: 1100100000).

** Коды С/А 34 и 37 одинаковые.

*** ПСП с 33-й по 37-ю зарезервированы для иных применений (например, наземных передатчиков, псевдолитов).

 

Кодовые последовательности образуют однозначные неразделимые пары, состоящие из соответствующих С/А и Р последовательностей (табл. 1).

 

Физические параметры радиосигналов GPS

Частотный план. Сигналы L-каналов излучаются в пределах двух полос шириной 20,46 МГц с центральными частотами L1 и L2. Несущие частоты для каналов L1 и L2 когерентно формируются из одного источника опорной частоты на борту НКА. С точки зрения наземного наблюдателя номинальная частота этого источника составляет 10,23 МГц. Для компенсации релятивистских эффектов, возникающих при движении НКА по орбите, эта частота смещается на некоторую величину Δf / f = –4,4647·10-10, эквивалентную изменению скорости передачи P-кода на величину Δf = –4,5674·10-3 Гц. Данное смещение соответствует реальной частоте бортового источника 10,22999999543 МГц.

Частота канала L1 соотносится с частотой бортового источника f0, как L1 = 154 f0, а частота L2 = 120 f0. В соответствии с релятивистской поправкой, на борту НКА формируются частоты L1s=1575,41999929622 МГц и L2s= 1227,5999994516 МГц, которые с точки зрения наземного потребителя соответствуют L1 = 1575,42 МГц и L2= 1227,6 МГц.

Кроме постоянных релятивистских эффектов, компенсируемых на борту НКА, на номинальные значения частот принимаемых потребителем сигналов воздействует переменное по частоте и знаку доплеровское смещение. Оно имеет максимальное положительное значение, когда НКА движется из-за горизонта навстречу потребителю, постепенно уменьшается и становится равным нулю, когда положение НКА на небосклоне достигает апогея по отношению к наблюдателю. Затем доплеровское смещение меняет знак и увеличивается по мере движения НКА к горизонту. Чем ближе к точке зенита с точки зрения наблюдателя проходит орбита НКА, тем больше величина доплеровского смещения.

Корреляционные потери. Корреляционные потери при приеме сигнала определяются, как разность энергии сигнала, излучаемого передатчиком в полосе 20,46 МГц и энергии сигнала, принятой идеальным корреляционным приемником в той же полосе частот. Для каналов L1 и L2. наихудшее значение корреляционных потерь имеет место, когда несущая частота модулируется суммой P(Y) кода и навигационного сообщения. В этом случае корреляционные потери определяются следующими составляющими:

-         Неидеальность модуляции в передатчике НКА - 0,6 дБ;

-         Искажение формы сигнала в приемнике вследствие прохождения через фильтр 20,46 МГц - 0,4 дБ.

Фазовые шумы несущей. Спектральная плотность фазовых шумов немодулированной несущей такова, что схема слежения за фазой, имеющая одностороннюю шумовую полосу 10 Гц, обеспечивает точность слежения за фазой несущей не хуже 0,1 радиан (среднеквадратическое значение).

Внеполосное излучение. Мощность внеполосного излучения за пределами полос шириной 20,46 МГц для частот L1 и L2 не превышает –40 дБ относительно мощности немодулированных несущих.

Квадратура фазы. Два компонента сигнала L1, модулированные двумя различными битовыми последовательностями (код С/А плюс данные и код P(Y) плюс данные) должны находиться в фазовой квадратуре с точностью ±100 миллирадиан со сдвигом несущей С/А относительно Р на 90°. Если вести речь о фазе несущей Рi случай, когда Pi(t) = 0, понимают как "нулевой угол фазы". Генератор кодов P(Y) и С/А управляет фазами соответствующих выходных сигналов по следующему принципу: если Pi(t) = 1, происходит сдвиг на 180° несущей Р, если Gi(t) = 1, несущая С/А опережает Р на 90°; если Gi(t) = 0, то несущая С/А отстает на 90° (таким образом, когда Gi(t) меняет состояние, происходит реверс на 180° несущей С/А). Результирующие номинальные составные фазы сигнала, как функция от двоичных значений модулирующих сигналов показаны в табл. 2.


Таблица 2. Составные фазы излучаемого сигнала L1
Номинальные значения
составной фазы, град
Двоичные состояния
Р С/А
0
-70,5
+109,5
180
0
1
0
1
0
0
1
1

Примечание: для комбинации 0,0 знак составной фазы считается положительным.

На рис. 1 приведена упрощенная структурная схема, поясняющая принцип генерации последовательностей Pi(t) с тактовой частотой 10,23 МГц и Gi (t) с тактовой частотой 1,023 МГц для кодов P и C/A соответственно, а также суммирования их по модулю 2 с навигационным сообщением D(t), которое тактируется с частотой 50 Гц.

Мощность принимаемого сигнала. Мощность принимаемого потребителем сигнала такова, что на выходе линейно поляризованной антенны с коэффициентом усиления +3 дБ, расположенной на поверхности земли, и в наихудшем случае ориентированной на угол места 5°, составляет:

Канал

P(Y)

С/А

L1

-163,0 дБ·Вт

-160,0 дБ·Вт

L2

-166,0 дБ·Вт

 

Рисунок 1. Генерация кодов и модулирующих сигналов

Групповая задержка навигационного сигнала в бортовой аппаратуре определяется как задержка между излучаемым радиосигналом данного НКА (измеряется в фазовом центре передающей антенны), и выходным сигналом бортового стандарта частоты. Групповая задержка включает в себя постоянную и случайную составляющие. Постоянная составляющая не имеет значения для потребителя, поскольку корректирующие данные для ее исключения входят в состав навигационного сообщения и в аппаратуре потребителя происходит автоматическая компенсация. Величина не поддающейся компенсации случайной составляющей не превышает 3 нс.

Кроме того, существует разность групповых задержек сигналов L1 и L2, также состоящая из постоянной и случайной составляющих. Среднюю разность групповых задержек принято считать постоянной составляющей, которая может иметь как положительное, так и отрицательное значение. Абсолютная величина средней задержки не превышает 15 нс. Случайная составляющая не превышает 3 нс.

Когерентность передаваемых последовательностей. Все излучаемые определенным НКА сигналы когерентно сформированы из частоты одного бортового стандарта; все двоичные импульсы тактируются синхронно с P-кодом в соответствии с его фронтами. Канал L1 имеет два модулирующих сигнала (код P(Y) и код C/А), для которых допустимый интервал между фронтами не превышает 10 нс.

Поляризация излучаемого сигнала. Излучаемый сигнал имеет правую круговую поляризацию (RHCP). В секторе углов излучения ±14,3° относительно оси симметрии диаграммы направленности передающей антенны коэффициент эллиптичности на частоте L1 должен быть не менее 1,2 дБ для НКА серии "Block II/IIA" и не менее 1,8 дБ для серии "Block IIR". Коэффициент эллиптичности на частоте L2 не менее 3,2 дБ для НКА серии "Block II/IIA" и 2,2 дБ для серии "Block IIR".

Формирование кодовых последовательностей

Структура кодовых последовательностей. Двоичная кодовая последовательность Pi(t) формируется суммированием по модулю 2 двух псевдослучайных последовательностей X1(t) и X2(t-iT), где T = 1/(1,023*107)с - период следования разрядов P-кода, i - целое число в интервале от 1 до 37, соответствующее номеру НКА. Таким образом, генерируется 37 уникальных последовательностей P(t) с использованием одинаковых генераторов кода, как показано в табл. 1 и на рис. 1.

Линейная последовательность Gi(t) является результатом сложения по модулю 2 двух 1023-битовых линейных последовательностей G1 и G2. Вторая последовательность избирательно задерживается на целое число разрядов, как показано в табл. 1, для формирования 36 уникальных последовательностей G(t).

Формирование Р-кода. Как было сказано выше, псевдослучайная последовательность Рi является суммой по модулю 2 двух последовательностей Х1 и X2i тактируемых с частотой 10,23 МГц. В свою очередь, Х1 формируется сложением по модулю 2 выходных сигналов двух 12-разрядных регистров сдвига (Х1А и Х1В) генерирующих сокращенные кадры длиной 4092 и 4093 бит соответственно. Когда число кадров Х1 достигает 3750, генерируется признак конца эпохи Х1. Эпоха Х1 генерируется каждые 1,5 с, когда сформирована последовательность Х1 из 15,345,000 разрядов. Образующие полиномы для последовательностей Х1А и Х1В, относящиеся к соответствующим регистрам сдвига, имеют следующий вид:

 

(Х1А 1 +Х6 + Х8 + Х1112;

(Х1В)   1+Х12 + Х5 + Х8 + Х9 + Х10 + Х1112.

 

Упрощенные схемы формирования кодовых последовательностей при помощи регистров сдвига показаны на рис. 2, рис. 2, рис. 4 и рис. 5.

Рис. 2. Формирование последовательности Х1А

Состояние каждого генератора может быть выражено как слово кодового вектора, следующим образом описывающего двоичное состояние каждого регистра:

-         вектор складывается из двоичных состояний каждого разряда регистра;

-         значение 12-го разряда последовательно принимает значения всех предыдущих, младших разрядов строго по порядку следования номеров;

-         сдвиг производится от младших разрядов к старшим и разряд 12 является выходом генератора кода.

Рис. 3. Формирование последовательности Х1В

 

Рис. 4. Формирование последовательности Х2А

 

Такой кодовый вектор описывает текущий двоичный уровень на выходе и 11 последующих уровней. В соответствии с этим определением, в начале каждой эпохи Х1, сдвиговый регистр XIА инициализируется кодовым вектором 001001001000 и сдвиговый регистр Х1В инициализируется кодовым вектором 010101010100. Первый разряд последовательности Х1А и первый разряд последовательности Х1В формируются одновременно, во время первого такта каждого периода Х1.

Рис. 5. Формирование последовательности Х2В

Исходный 4095-битовый кадр генерируемых последовательностей укорочен для предотвращения прецессии (несинхронизма) последовательности Х1В с последовательностью Х1А в течение периода Х1. Реинициализация сдвигового регистра Х1А производится после выдачи 4092 бит последовательности, с отбрасыванием последних трех бит (001) действительной 4095-битовой последовательности Х1А. Реинициализация сдвигового регистра Х1В происходит после выдачи 4093 бит последовательности, с отбрасыванием двух последних бит (01) действительной последовательности Х1В. В результате фаза последовательности Х1В сдвигается на один бит для каждого кадра Х1А в составе эпохи Х1.

Как было сказано выше, эпоха Х1 состоит из 3750 кадров Х1А (15,345,000 бит), что не соответствует целому числу кадров Х1В. Для устранения данного несоответствия сдвиговый регистр Х1В фиксирует финальное состояние (бит 4093) своего 3749-го кадра, и удерживает его, пока регистр Х1А отрабатывает свой 3750-й кадр (343 дополнительных бита). По окончании 3750-го кадра устанавливается признак начала новой эпохи Х1, который инициализирует регистры Х1А и Х1В.

Для формирования последовательности Х2i сначала формируется последовательность Х2, которая затем задерживается на целое число тактов i = 1...37. Каждая последовательность Х2i суммируется по модулю 2 с последовательностью Х1, в результате формируется 37 уникальных последовательностей P(t), из которых первые 32 предназначены для использования навигационными НКА, остальные пять используются альтернативными передатчиками, например наземными псевдолитами локального действия.

Сдвиговые регистры Х2А и Х2В, используемые для формирования последовательности Х2, функционируют аналогично упомянутым выше Х1А и Х1В. Это также укороченные последовательности, Х2А длиной 4092 бит и Х2В длиной 4093 бит, следовательно, они имеют такое же соотношение длин, как сдвиговые регистры Х1. Полный цикл Х2А включает в себя 3750 кадров; регистр Х2В защелкивает выходное состояние 3749-го кадра и удерживает его, пока регистр Х2А отрабатывает свой 3750-й кадр. Образующие полиномы для регистров Х2А и Х2В, относящиеся к соответствующим регистрам сдвига, имеют вид:

 

(Х2А)  1+Х13 + Х4 + Х6 + Х7 + X8+X9 + Х10 + Х1112;

(Х2В)  1 +Х2 + Х3 + Х4 + Х8 + Х9 + Х12.

 

Регистр Х2А инициализируется вектором 100100100101, регистр Х2В вектором 010101010100.

Когда начинается новая неделя GPS, сдвиговые регистры Х1А, Х1В, Х2А и Х2В инициализируются для выработки первого разряда недели. Прецессии (дискретные биения) регистров сдвига по отношению к Х1A циклически продолжаются, пока не закончится последний кадр Х1А на интервале текущей недели GPS. В интервале времени последнего кадра Х1А регистры Х1В, Х2А и Х2В отработав свои кадры, удерживают последнее выходное состояние, пока не закончится кадр регистра Х1А. В этот момент времени все четыре регистра инициализируются и вырабатывается первый разряд новой недели. Временной механизм формирования P-кода, формирования признака конца недели поясняют табл. 3, 4, рис. 6, 7 и показывают финальные кодовые векторы на момент окончания недели.

Таблица 3  Диаграмма сброса Р-кода (последние 400 мкс недели)

Время

Разряд кода

Х1А

Х1В

Х2А

Х2В

1

345

1070

96

3023

3367

|4092|

3989

3127

3471

4092

|4093|

3749

|4093|

4092

4093

|4092*|

4093

4092

4093

Таблица 4. Финальные состояния кодовых векторов

Код Номер
разряда

Состояние
вектора кода

Состояние вектора для 1-го
разряда следующей эпохи

Х1А 4091
4092
100010010010
000100100100

001001001000

Х1В

4092
4093

100101010101
001010101010

010101010100

Х2А

4091
4092
111001001001
110010010010

100100100101

Х2В

4092
4093
000101010101
001010101010

010101010100

 

Рис. 6. Формирование P-кода

 

Рис. 7. Временные соотношения между компонентами P-кода

Примечание: Первым разрядом в каждой последовательности является выходной бит, чей передний фронт формируется одновременно с началом эпохи.

 

Формирование C/A-кода. Каждая последовательность Gi(t) представляет собой 1023-битовый код Голда, в свою очередь являющийся суммой по модулю 2 двух 1023-битовых линейных последовательностей G1 и G2i.

Последовательность G2, формируется путем задержки G2 на целое число тактов в диапазоне от 5 до 950. Образующие полиномы для G1 и G2 описываются следующими выражениями:

 

G1 = X10 + X3+1

G2 = X10 + X6 + X8 + X6 + X3 + X2 + 1.

 

Рис. 8. Формирование последовательности G1

 

На рис. 8 и 9 показано формирование последовательностей G1 и G2.

Рис. 9. Формирование последовательности G2

Начальный вектор обеих последовательностей имеет вид 1111111111. Сдвиговые регистры G1 и G2 инициализируются по началу эпохи Х1. Для тактирования регистров G1 и G2 используется частота 1,023 МГц, образующаяся делением частоты 10,23 МГц, поступающей из кодера P-последовательности. Инициализация регистров в фазе с эпохами Х1 гарантирует, что первый бит C/A-кода начнется синхронно с первым битом P-кода.

Действующая задержка последовательности G2, благодаря которой формируется индивидуальная последовательность G2i, достигается коммутацией двух выводов сдвигового регистра G2 с последующим суммированием по модулю 2, как показано на рис. 8. Выбирается одна из 36 возможных комбинаций подключения выходов регистра, соответствующая одному варианту P-кода.

 

Рис. 8. Формирование C/A кода

 

« Назад Далее »