Техніка формування кодових послідовностей

Для того, щоб виміряти час поширення електромагнітних хвиль від джерела до приймача, необхідно обрати інформаційний сигнал - процес (або явище), що дозволяє реєструвати моменти випромінювання та прийому. У так званихімпульснихспособах випромінюється короткий сигнал (імпульс) і вимірюється безпосередньо час, що витрачається на поширення вздовж вимірюваної лінії. При використанніфазовогоспособу час вимірюється не безпосередньо, а через вимірювання зсуву фаз між прийнятими та опорними коливаннями. В системі GPS застосовано комбінований метод: випромінюваний і опорний сигнали формуються у вигляді нерегулярної (але однаковою для джерела та приймача) послідовності імпульсів, а вимірювальною інформацією служить фазовий зсув між цими послідовностями. Така нерегулярна послідовність імпульсів носить назвупсевдовипадкової(або псевдошумової; по-англійськи -Pseudorandom noise codes, PRN),так як на перший погляд схожа на суто випадкову (дві різні послідовності такого роду некорельовані ), але все-таки формується за певним правилом та її фрагменти через обумовлений час повторюються.

Кодування випромінюваного супутником радіосигналу псевдовипадковою послідовністю імпульсів, крім завдання власне далекомірних вимірювань, вирішує ще кілька завдань:

• створення найкращих умов розрізнення сигналу в апаратурі при ємника на тлі шумів (доведено, що псевдовипадкові коди володіють такими властивостями);

• ототожнення конкретного супутника, який надіслав сигнал (кожному супутникові призначена своя кодова послідовність);

• реалізація режиму обмеженого доступу до GPS, коли точні вимірювання можливі лише при санкціонованомувикористання системи (користувач повинен знати алгоритм побудови кодової послідовності).

Для генерування псевдовипадкової послідовності використовується логічний пристрій, що називається стрічковий зсувний регістр. Він містить кілька однобітових осередків (на малюнку 10.4 вони позначені номерами 1-5). При подачі на регістр керуючого (тактового) імпульсу вміст кожного осередку (1 або 0) переміщається в сусідню (на малюнку - праворуч), а вміст останнього осередку розглядається як черговий стан вихідного сигналу. У першу комірку, що звільнилася, посилається значення 1 або 0, одержуване шляхом логічного підсумовування вмісту двох інших заданих осередків (від їх вибору і залежить псевдовипадкова послідовність, що отримується на виході).

Мал. 10.4. Принцип роботи стрічкового зсувного регістру

У прикладі, показаному на малюнку 10.4, задану пару утворюють комірки з номерами 2 і 3. Під дією керуючого імпульсу вміст комірок 1-4 переміщається в комірки 2-5, на вихід пристрою надходить О (з 5-го комірки), а в комірку №1 записується значення 1 (логічна сума з осередків №№ 2 та 3). Можна переконатися, що при подальшому надходженні імпульсів керуючих на виході пристрою утворюється послідовність 1101110010.

Для формування загальнодоступного кодуС/А(Clear Access)використовується комбінація з двох 10-бітових зсувних регістрів, вихідні сигнали яких складаються за модулем 2. Частота слідування тактових імпульсів становить 1,023 МГц, а період повторення псевдовипадкової послідовності дорівнює 1023 циклів, отже його тривалість - 1 мілісекунду.

Формування точного захищеного кодуР(Protected) відбувається за складнішим алгоритмом: вінутворюється шляхом комбінування двох послідовностей, кожна з яких генерується парою зсувних регістрів. Завдяки цьому послідовність дуже довго не повторюється (більше 2x10 14 циклів), що при частоті тактових імпульсів 10,23 МГц становить 266,4 діб. Цим досягається високий рівень захищеностіР-коду від несанкціонованого доступу (складність розшифровки його алгоритму). Кожному супутнику індивідуально призначається тижневий відрізок цієї довгої послідовності. Старт тижневого циклу завжди відбувається по неділях о 0 годині всесвітнього часу. Незважаючи на високий ступінь захищеності передбачена можливість додаткового засекречуванняР-коду - перетворення його в зашифрований Y-код (режимAS - Anti-Spoofing).

65.Структура та передача в ефір навігаційного сигналу

Формування тактових імпульсів для відтворення кодових послідовностейС/АіР-кодів, а також інших сигналів (несучих і бінарних) відбувається на основі використання одного опорного високостабільного генератора. Цей генератор, власне кажучи, і є основою бортового «годинника», забезпечуючи синхронізацію та тимчасову прив'язку всіх процесів. Базова частота, що відтворюється опорним генератором, становитьf0 = 10,23 МГц (з добовою нестабільністю 10 -13). Шляхом множення або поділу частотиf0 (див. табл. 10.1) отримують дві несучі частоти, що позначаються якL1іL2,тактові імпульси для відтворення кодових послідовностей і низької частоти (50 Гц) передачі навігаційного повідомлення.

Таблиця 10.1. Компоненти супутникового сигналу

Несучі частоти, що служать передачі сигналу в ефір, модулюються вимірювальними кодовимипослідовностями та бінарними кодами навігаційного повідомлення. При цьому використовується метод так званої бифазной модуляції, що виявляється дуже зручним, оскільки вся передана у складі сигналу інформація представлена у вигляді бітової послідовності з одиниць і нулів. Ідея методу полягає в управлінні фазою синусоїдального сигналу, що несе за допомогою кодів бітової послідовностіk(t):

Коли кодовий сигналk(t) змінює свій стан з 0 на 1 або навпаки, фаза стрибком змінюється на 180 ° і, отже, знак синуса змінюється на протилежний. Цей процес схематично ілюструє рис. 5.

Мал. 5. Схема біфазної модуляції

Обидві несучі частотиL1іL2модулюються точним Р-кодом, що дозволяє в подальшому при обробці прийнятих сигналів враховувати їх затримку в іоносфері (див. Розд. 10.3.1). ЗагальнодоступнийС/A-код передається тільки на одній частотіL1,причому з фазовим зсувом на 90° по відношенню доР-коду для зручності їхнього подальшого поділу. Інформація навігаційного повідомленняDпередається також двох несучих частотах. Таким чином, комбіновані сигнали, що передаються із супутника, можуть бути представлені такими співвідношеннями:

Звернемося тепер до структури та змісту навігаційних повідомлень. Об'єм одного повідомлення(кадра)становить 1500 біт. Кадр складається з 5 субкадрів (300 біт), що містять по 10 слів (30 біт). Неважко підрахувати, що з тактовою частотою 50 Гц час передачі кадру становить 30 секунд. Перші два слова кожного субкадра містять телеметричну та діагностичну інформацію.

Четвертий і п'ятий субкадри, на відміну від перших трьох, містять інформацію не лише про цесупутнику, а про всіх супутників системи: наближені значення елементів їх орбіт («альманах»), статус працездатності, поправки за вплив іоносфери та ін. Обсяг цієї інформації досить великий - у четвертому і п'ятому субкадрах укладається лише 1/ 25 її частина, тому вона передається порціями у послідовності з 25 кадрів. На їх передачу йде 12,5 хвилини. Стільки часу знадобиться приймачеві для підготовчого етапузахопленнята ототожнення сигналів супутників, якщо приймач встановлений на новому місці та в його пам'яті відсутні свіжі значення альманаху.

Прийом та обробка сигналів

Всеспрямована антена приймача може бути поєднана з ним, або виконана у вигляді окремого виносного блоку, в якому також розміщується попередній підсилювач сигналів високої частоти. Фазовий центр антени є тією точкою, від якої вимірюється відстань до супутника. Посилені сигнали надходять у радіочастотний блок, де відбувається їх демодуляція, внаслідок чого виділяється цифрова складова (вимірювальні коди та навігаційне повідомлення) та аналогова (синусоїдальна). На основі кварцового генератора частоти, що задає внутрішню шкалу часу приймача, відтворюється сітка опорних сигналів подібних до тих, що випромінюють супутники(репліка). навігаційні параметри.

Оскільки всі супутники GPS передають сигнали на одній і тій же парі несучих частот, приймач надходить суміш сигналів всіх супутників, що знаходяться над горизонтом. У процесі обробки прийнятих сигналів необхідно вирішити такі задачи:

• виділити в потоці сигналів складові, що належать до конкретнихсупутникам;

• розділити сигнали кожного супутника на кодову послідовність, навігаційне повідомлення та суто синусоїдальну складову;

• визначити тимчасове зсув прийнятих сигналів по відношенню до опорних.

Може здатися дивовижним, але всі ці завдання, а також ще й деякі допоміжні, вирішуються одночасно і на основі одного загального методу кореляційної обробки прийнятого та опорного сигналів. Суть цього методу полягає у перемноженні порівнюваних сигналів за допомогою спеціального аналогового або цифрового пристрою-корелятора. На виході цього пристрою утворюються нормовані середні значення результату перемноження, що фактично є послідовністю коефіцієнтів кореляції. Інтервал усереднення тут становить 1-2 мс (нагадаємо, що в одній мілісекунді укладається 1023 тактові імпульсиС/A-коду). Коефіцієнт кореляції, як відомо, характеризує тісноту зв'язку двох сукупностей випадкових величин, у разі - ступінь «схожості» прийнятого і опорного сигналів. У приймачі генеруються по черзі і подаються на вхід корелятора опорні сигнали з кодовими послідовностями різних супутників. В результаті на його виході виділяється лише та складова, яка корелює з поданим на даний момент опорним сигналом. При цьому ступінь кореляції і, отже, рівень вихідного сигналу досягають максимуму, якщо зміщення тимчасове між порівнюваними сигналами близько до нуля. У процесі вимірювань за допомогою автоматичної плавної перебудови тимчасової затримки опорного сигналу визначається те її значення, при якому кореляція максимальна - саме це значення і представляє тимчасовий зсув, що цікавить нас, між прийнятим і опорним сигналами, за яким і обчислюєтьсяпсевдодальність.

Строго кажучи, оскільки кодові послідовності не суто випадкові, а через якийсь період повторюються, кореляційна обробка дає значення псевдодальностей з невизначеністю в ціле число таких блоків, що повторюються (для С/A-коду - до 1 мс або, в перерахунку на дальність, 300 км). Ця невизначеність знімається завдяки непрямій оцифровці блоків, що повторюються, за допомогоюміток часу,що містяться в складі навігаційного повідомлення і несуть інформацію про дату і точний час. Мітки часу прив'язані до тактових імпульсів навігаційного повідомлення, когерентним із сигналами опорного генератора та з усіма іншими супутниковими сигналами [10.4].

Точність виміру описаним способом характеризується похибкою порядку 1° фази сигналу або 0,3% тривалості періоду, в даному випадку - періоду проходження кодових імпульсів (див. п. 10.2.1). Отже, для С/4-коду ця похибка становить близько 3 нc, а для Р-коду - 0,3 nc, або, у перерахунку на псевдодальність, 1 м та 0,1 м (тут, зрозуміло, не враховано вплив зовнішніх джерел) похибок).

У точних геодезичних приймачах реалізовано ще вимір фазового зміщення самої несучої частоти по відношенню до опорного сигналу. Оскільки періоди несучих у 154 і 120 разів коротші за тактові періоди кодових послідовностей (див. табл. 10.1), такі вимірювання дозволяють підвищити точність визначення псевдодальностей до міліметрового рівня. При цьому, щоправда, вдається виміряти лише дробову частину циклу у фазовому зміщенні, а ціле число довжин хвиль у дальності, що вимірюється, залишається невідомим. Але ця проблема вирішується в ході подальшої спільної обробки вимірювань на двох або кількох пунктах (див. п. 10.4.2). Існують, однак, і дві суто технічні проблеми: яквиділити синусоїдальну складову із загального кодованого сигналу і як надійно розділити сигнали несучої частоти окремих супутників - її значення для всіх супутників однаково.

Для вирішення першого завдання потрібно, власне кажучи, точно знати структуру кодових послідовностей. Але якщо вона невідома(Р-код перестав бути загальнодоступним), є просте і витончене рішення -потрібно лише сквадратувати прийнятий сигнал, тобто. помножити його на себе, внаслідок чого модуляція зникне. Це легко зрозуміти з розгляду формул (10.8): коефіцієнтиC/A(t), P(t)іD(t)в них, рівні +1 або -1, при зведенні в квадрат стають рівними одиниці. Існують і інші методи виділення суто синусоїдальних коливань.

При вирішенні задачі поділу несучих частот різних супутників використовується той факт, що внаслідок руху супутників частоти сигналів, що приймаються, відчувають доплерівські зсуви, різні для різних положень супутників і досягають декількох кілогерц. Інакше висловлюючись, реально значення несучих частот прийнятих сигналів різних супутників все-таки неоднакові. У приймачі реалізовані схеми автопідстроювання частоти та фази, які коригують опорні сигнали індивідуально для кожного супутника відповідно до рівнянь його руху, чим і досягається селекція.

Обчислювальний пристрій приймача керує його роботою за заданими програмами і здійснює обробку кодових вимірювань за алгоритмами, описаними в розд. 10.1. Поточні результати - координати і швидкість приймача, а також точний час, відображаються на табло і записуються в пристрій. Фазові виміри не обробляються, лише зберігаються у пам'яті.