Введение. Спутниковые методы в геодезии (стр. 16 )

Рис. 1. Совместное созвездие ГЛОНАСС и GPS (http://www. novatel. glonass_overview. pdf).

Система GPS. Спутники GPS передают свои навигационные сигналы на двух несущих частотах L-диапазона. На этих частотах сигналы являются высоко направленными и, следовательно, они легко блокируются непрозрачными предметами, а также отражаются твердыми телами и водной поверхностью. Частота L1=1575.42 МГц (длина волны l=19 см), получается путем умножения частоты задающего генератора на 154 и модулируется C/A и P-кодами. Частота L2=1227.60 МГц (длина волны l=24 см) получается умножением частоты задающего генератора на 120 и модулируется P-кодом. Третий гражданский сигнал, обозначаемой как L5, начал передаваться спутниками Блока IIF на частоте 1176.45 МГц (длина волны около 25.5 см). Коды C/A и P являются дальномерными кодами, они используются для измерения времени прохождения сигнала t и последующего получения дальности r = ct. Передачи на двух (или трех) частотах позволяют уверенно определить ионосферную поправку и повысить точность измерений.

Коды C/A (Clear Aquisition – полностью доступный) и P (Precise – точный) представляют собой бинарные коды, то есть последовательность из единиц и нулей. Они имеют характеристики случайного естественного шума, но в отличие от последнего легко воспроизводятся средствами электроники. Благодаря этому их удается выделить из общего шумового фона, а сами коды называют псевдо-случайными кодами (Pseudo Random Code). Каждому спутнику GPS соответствует своя последовательность кодов, по которой спутник отождествляется приемником. При этом необходимо, чтобы уровень сигнала превышал уровень шума в несколько раз (Signal to Noise Ratio, SNR).

Оба кода формируются от генератора 10.23 Мгц, C/A-код – с делением частоты на 10, P-код - без изменения частоты. Поэтому один элемент P-кодовой последовательности имеет продолжительность около 100 нс, что соответствует 30 м, а у C/A-кода - соответственно 1 мкс и 300 м. За счет интерполяции разрешающая способность может быть доведена по P-коду до 1 м, а по C/A-коду - до 10 м. P-код не повторяет сам себя в течение 267 суток, это дает каждому спутнику использовать свою уникальную недельную последовательность PRN. C/A-код повторяется каждую миллисекунду, поэтому в измерениях расстояния возникает неоднозначность, кратная 300 км.

Навигационное сообщение GPS передается в течение 30 с и содержит 1500 бит данных, разделенных на 5 подкадров (рис. 2). Первые три подкадра содержат данные о спутнике, с которого ведется передача, два следующих подкадра - данные о других спутниках системы. Информация о спутнике включает данные о его состоянии, параметры часов, элементы орбиты и возмущения в них. Информация 4-го и 5-го подкадров содержит почти те же данные, но с меньшей точностью (альманах системы), а также параметры ионосферы для одночастотных потребителей и сдвиг шкалы системного времени GPST относительно времени UTC. Полная информация о системе содержится в 25 кадрах, образующих суперкадр, следовательно, она может быть получена в течение 12.5 мин.

Рис. 2. Структура навигационного сообщения GPS.

В каждом подкадре первыми двумя словами являются TLM и HOW. В отличие от другой информации слова TLM и HOW образуются самим спутником. В слове TLM (Telemetry Word) содержится преамбула и телеметрическое сообщение, которое указывает на состояние процесса загружаемой с наземного сегмента информации. Второе слово, слово передачи HOW (Hand Over Word) содержит 19 младших разрядов 29-разрядного Z-отсчета. Десять старших разрядов являются двоичным представлением номера текущей недели GPS, счет которых ведется от полночи с 5 на 6 января 1980 г.

Для ограничения доступа неавторизованным пользователям с 31 января 1994 г. передается зашифрованная версия Р-кода, называемая Y-кодом. Этот код получается сложением по модулю 2 P кода и секретного W кода. Частота W кода составляет около 500 КГц, то есть на один импульс W кода приходится 20 импульсов Р кода.

Для уменьшения затухания сигналов передаваемые спутниками GPS радиоволны имеют правостороннюю круговую поляризацию [ICD-GPS-200C 2003].

Система ГЛОНАСС. Каждый КА системы ГЛОНАСС передает сигналы на собственных частотах в двух частотных поддиапазонах L1 и L2. На поддиапазоне L1 передаются сигналы стандартной и высокой точности. Сигнал стандартной точности с тактовой частотой 0.511 Мгц предназначен для всеобщего использования. Сигнал высокой точности на L1 модулирован специальным кодом и не рекомендуется к использованию без разрешения Министерства обороны РФ. На поддиапазоне L2 передаются сигналы, модулированные специальными кодами, и они не рекомендуются к несанкционированному использованию.

Навигационный сигнал на частоте L1 является многокомпонентным фазомодулированным сигналом. Манипуляции осуществляются на 180 . Несущая частота модулируется двоичной последовательностью, образованной суммированием по модулю два псевдослучайного дальномерного кода, цифровой информации навигационного сообщения и вспомогательного меандрового колебания. Основой для формирования компонентов сигнала является бортовой стандарт частоты 5 Мгц.

Псевдослучайный дальномерный код представляет последовательность максимальной длины регистра сдвига (М-последовательность) с периодом 1 мс и скоростью передачи символов 511 Кбит/с. Псевдослучайный дальномерный код снимается с 7 разряда 9-разрядного регистра сдвига. Код начального состояния сдвига соответствует наличию «1» во всех разрядах регистра. Начальным символом в периоде псевдослучайного дальномерного кода является первый символ в группе , повторяющийся через 1 мс.

Сигналы спутников ГЛОНАСС, как и у спутников GPS, имеют правостороннюю круговую поляризацию [Глобальная … 2002; Болдин и др. 1999].

Подсистемы функциональных дополнений спутникового базирования SBAS являются сетями наземных опорных станций, из наблюдений на которых определяются корректирующие поправки за влияние атмосферы, часов и эфемерид спутников. Передача поправок потребителям производится через геостационарные спутники на той же частоте, что и у спутников GPS. Поправки SBAS обеспечивают оперативность, надежность и точность, необходимую для авиации и других применений. Использование тех же частот сигналов, что и у навигационных спутников, приводит к тому, что для приемников, имеющих каналы SBAS, не требуется дополнительное оборудование. При использовании сигналов SBAS ошибки координат уменьшаются в 5-10 раз, почти до метрового уровня, а иногда и лучше.

Система WAAS (Wide Area Augmentation System) развернута на территории Северной Америки. Подобные системы работают в Европе (EGNOS, European Geostationary Navigation Overlay System) и в Японии MSAS (Multifunctional Transport Satellite-based Augmentation System).

Подсистемы функциональных дополнений наземного базирования GBAS также являются сетями наземных опорных станций, но корректирующие поправки передаются по радиоканалам (модемная или телевизионная связь), или через мобильную телефонию, или через Интернет [Соловьев 2003, Антонович 2006].

3. Псевдошумовые сигналы

Чтобы нести информацию, такую как дальномерные коды и цифровая информация, простая синусоидальная волна должна модулироваться. В случае ГНСС модуляция делает возможным измерение расстояний посредством измерения времени прохождения модуляции, то есть дальномерных кодов.

Дальномерные коды состоят из бинарных цифр 0 и 1. Эти бинарные цифры называются также чипами, битами или импульсами. Последовательность бинарных цифр в потоке передаваемых данных обычно является псевдослучайной последовательностью (ПСП), которая может выглядеть как случайный сигнал, но которая в действительности следует некоторой математической формуле и может многократно воспроизводиться средствами электроники. Такие сигналы называют псевдослучайными кодами (Pseudo Random Code). Они воспринимаются как случайный шум (вспомните «снег» на экране телевизора или шум в приемнике, когда нет передачи). Эфир пронизан такими шумами естественного или искусственного происхождения. Однако благодаря строгой закономерности образования ПСП, их удается выделить из общего шума, даже при их малой мощности (как разговор под гул самолета). Важным показателем ПСП является отношение сигнал/шум SNR. Приемник будет работать лучше при большем SNR. Псевдошумовые последовательности создаются с помощью сдвиговых регистров (СР) с обратной связью [Серапинас 2002; Конин 2006, Leick 1996].

Распространенный в ГНСС метод состоит в объединении двух бинарных потоков данных в один посредством сложения по модулю 2 и умножения по модулю 2. Сложение происходит по правилу:

1 Å 1 = 0, 0 Å 1 = 1, 1 Å 0 = 1, 0 Å 0 = 0.

Правило умножения:

0 Ä 0 = 1, 1 Ä 0 = 0, 0 Ä 1 = 0, 1 Ä 1 = 1.

На рис. 3 показаны два потока произвольных цифровых данных, (a) и (b), объединяемых в один поток (a+b) сложением по модулю 2. Предположим, что последовательность (а) представляет C/A или P(Y) дальномерный код с тактовой частотой соответственно 1.023 или 10.23 МГц, а поток (б) представляет навигационные данные с тактовой частотой 50 бит в секунду. Заметим, что поток навигационных данных и кодовый потоки имеют существенно различающиеся тактовые частоты, и что моменты передачи бита перехода согласованы. Тактовая частота в 50 бит в секунду подразумевает 50 возможностей в секунду для того, чтобы цифровой поток изменялся с 1 на 0 и наоборот. В течение одного чипа навигационного сообщения происходит циклов несущей, 20460 чипов C/A кода заполняют один чип телеметрии, и необходимо 204600 чипов P кода, чтобы сделать то же самое. Таким образом, как только в 50-битовом потоке данных навигационного сообщения встречается бинарная 1, сложение по модулю 2 превращает 20460 смежных цифр C/A кода в обратный код, когда бинарная 1 становится 0 и наоборот. Бинарный 0 навигационного сообщения оставляет следующие 20460 C/A кодов неизмененными.

Рис. 3. Сложение по модулю 2 двух псевдослучайных последовательностей.

Нетрудно видеть, что в новом псевдослучайном коде отдельные части исходного кода остались неизменными, в других частях код сменился на обратный. Кроме того, если код (a+b) сложить по модулю 2 с кодом (a), то получим исходный код (b).

Чтобы передавать информацию, на спутнике производится модуляция несущей кодовой последовательностью методом манипуляции фазовым сдвигом. В результате получается фазоманипулированная несущая, то есть та же несущая, но с резкими изменениями фазы (рис. 4). Предположим, что приемник принял несущую, промодулированную навигационным сообщением. Но ГНСС приемники могут создавать синусоидальный сигнал, в том числе и с частотой несущих колебаний. В результате демодуляции в приемнике будет получено исходное навигационное сообщение.

Рис. 4. Модуляция несущей псевдослучайным кодом.

К методу сложения по модулю 2 должен быть добавлен еще один дополнительный шаг, поскольку несущая L1 модулируется тремя потоками данных: навигационными данными и кодами C/A и P(Y). В этом случае возникает проблема наложения (суперпозиции) дальномерных кодов на поток навигационных данных. Две последовательных суперпозиции не являются единственными, потому что C/A код и P(Y) код имеют идентичные биты эпох перехода (хотя их длины различные). Решением является манипуляция с квадратурным фазовым сдвигом. Несущая делится на два компонента, один из компонент опережает другой на 90°. Один компонент модулируется суммой по модулю 2 навигационного сообщения и C/A кода, другой – суммой навигационного сообщения и P(Y) кода. Перед трансляцией оба потока объединяются в сумматоре (рис. 5).

Рис. 5. Формирование радионавигационных сигналов L1 и L2 в системе GPS.

4. Общее устройство приемника

Спутниковые приемники являются очень сложными электронными приборами, не случайно их часто называют «системами». В России к приемникам отечественного производства часто применяется термин «приемоиндикатор». Автор ставит целью не описание электроники приемника устройства, а объяснение принципов получения результатов измерений, необходимых для решения задач геодезии или навигации.

Любой ГНСС приемник должен собирать и затем преобразовывать сигналы от спутников в измерения. Вращающийся вокруг Земли спутник передает этот слабый сигнал в конусе с раскрытием примерно 30°. Со спутника, имеющего высоту около 20000 км, конус охватывает всю планету. Спутник распространяет сигнал низкой мощности на большой площади. Сигнал мог бы полностью затенен множеством электромагнитных шумов, которые окружают нас, если бы он не был кодированным сигналом с широким спектром. Передаваемые спутниками сигналы намеренно занимают широкую полосу частот. Эти характеристики используются для предотвращения подавления сигналов, уменьшения многопутности и позволяют вести слежение за спутником.

Прежде всего, приемник должен принять сигналы в том диапазоне, на который настроена его антенна, усилить их, выделить сигнал нужного спутника среди сигналов других спутников, сделать его захват и отслеживать на протяжении нужного времени. Затем ему нужно выполнить операции, обратные тем, которые выполнялись на спутнике в процессе закладки информации, то есть произвести демодуляцию и декодирование принятых сигналов, расшифровать переданное со спутника навигационное сообщение, произвести измерения необходимых величин и обработать их. При этом приемник может столкнуться с такими проблемами как защита от помех высокой мощности (например, от ионосферных возмущений), выделение секретного кода, ключа к которому у него может не быть, разрешение многозначности в измерениях и др. Приемник должен управлять всем процессом измерений, следить за состоянием других устройств, например, источников питания и памяти, состоянием созвездия спутников и обо всем информировать оператора.

На рис. 6 показаны основные компоненты, общие для всех ГНСС приемников.

Рис. 6. Блок-схема общего устройства геодезического приемника.

Антенна и предусилитель. Антенна принимает радиоволны с правосторонней круговой поляризацией от спутников, находящихся над горизонтом. Ее главной функцией является преобразование электромагнитных волн в электрические токи, содержащие информацию о кодах и модуляциях потока данных. Очень важны размер и форма антенны, так как эти характеристики управляют, в частности, способностью антенны принимать радиоволны в нужном диапазоне частот и передавать в приёмник очень слабые сигналы спутников ГНСС. Многие приемники имеют встроенные антенны, другие имеют внешние антенны, которые могут устанавливаться на штативе или монтироваться на транспортном средстве. Антенны, используемые для ГНСС приемников, имеют характеристики всенаправленных антенн, их не нужно наводить на источник сигнала. В случае геодезических измерений действительным определяемым положением является фазовый центр антенны, который должен быть корректно связан с координируемой наземной маркой.

Внешние антенны соединяются с приемником коаксиальными соединительными кабелями, имеющими стандартную длину от 1,5 до 60 м. Обычно они поставляются изготовителем приемников. По этому же кабелю подается напряжение для электроники антенны. Одно из требований к кабелю – его морозоустойчивость. К сожалению, некоторые антенные кабели, как и кабели для питания, могут ломаться на морозе. Во многих современных приемниках вместо кабелей используют радиосвязь Bluetooth или WiFi(рис. 7).

Рис. 7. Приемник ProMark-500 компании Magellan с внешней антенной [http://pro. /en/products].

Поскольку мощность сигналов от спутников очень мала, то сигнал на выходе антенны также имеет чрезвычайно малую величину. Усиление сигнала производится с помощью сверхвысокочастотного (СВЧ) малошумящего предусилителя, который обычно располагается в одном корпусе с антенной. СВЧ предусилитель состоит из устройства защиты входа и нескольких последовательно установленных усилителей и полосовых фильтров, обеспечивающих необходимую мощность сигнала и полосу пропускания.

Опорный генератор и синтезатор частот. В качестве опорного генератора в приемниках используется генератор с кварцевой стабилизацией частот. Он обеспечивает относительную стабильность частот порядка 10-6 во всех цепях приемника, в том числе, при формировании временной шкалы для кодовых и фазовых измерений. Не случайно опорные генераторы часто называют «часами приемника». Для повышения стабильности кварц могут помещать в термостат. На постоянно действующих станциях вместо кварцевых генераторов не редко используются атомные и водородные генераторы частоты, обеспечивающие стабильность порядка 10и выше. Синтезатор частот преобразует частоту опорного генератора в требуемый набор частот, например, L1 и L2 в двухчастотном GPS приемнике, необходимых для демодуляции принятых несущих, а также частот, необходимых для формирования дальномерных кодов.

Радиочастотный блок и процессор. Блок радио частоты (РЧ) является сердцем приемника. После ввода сигнала от антенны в блоке радио частоты достигается распознавание сигналов по С/А кодам, которые, как ранее упоминалось, являются уникальными для каждого спутника GPS. Второй метод распознавания сигналов между спутниками заключается в отслеживании доплеровского сдвига, который обычно отличается у разных спутников.

Одночастотный блок обрабатывает сигнал только на L1, в двухчастотных приемниках обработку проходят сигналы и L1 и L2. Обработка сигнала происходит легче, если частота прибывающих от антенны сигналов понижается до общего частотного диапазона. Чтобы выполнить это, входящая частота комбинируется с сигналом на гармонической частоте. Этот последний чистый синусоидальный сигнал является ранее упомянутым опорным сигналом, создаваемым генератором приемника. Две частоты умножаются в смесителе. Если в смеситель поступает два колебания y1, y2 с амплитудами а1, а2 и различными частотами f1, f2 и производится их перемножение, то на выходе смесителя получается две частоты, одна из них равна сумме двух входящих частот, а другая – их разности:

(1)

Затем две частоты проходят через низкочастотный фильтр, который удаляет ненужную высокую частоту и оставляет более низкую из двух частот. Также он исключает некоторый шум из сигнала. Для слежения за P кодом этот фильтр имеет ширину полосы пропускания около 20 МГц, а для C/A кода - около 2 МГц. В результате получается сигнал с промежуточной частотой ПЧ, или сигнал частоты биений. Эта частота представляет собой разность между смещенной эффектом Доплера частотой несущей, которая приходит от спутника, и частотой, созданной собственным генератором приемника. Сигналы ПЧ содержат все модуляции, которые присутствуют в передаваемом сигнале, изменена только частота несущей

Обычно есть несколько каскадов ПЧ, прежде чем ее копия посылается в отдельные каналы, каждый из которых извлекает информацию о коде и несущей для частного спутника.

Каналы приемника. Сама антенна не сортирует информацию, которую она собирает. В приемник одновременно входят сигналы от нескольких спутников. Но в каналах радиочастотного блока неразделенные сигналы ПЧ идентифицируются и отделяются один от другого. Кроме того, сигнал переводится из аналогового представления в цифровое.

Канал ГНСС приемника представляет собой устройство или комбинацию устройств и программного обеспечения, предназначенных для отделения одного сигнала от всех других. В любой заданный момент в канале может быть только одна частота от одного спутника. Типичное число для одночастотных приемников – 12 каналов. ГНСС приемник Triumph компании Javad имеет 216 каналов и может отслеживать спутники GPS, GLONASS, Galileo, Compass, QZSS, WAAS/EGNOS (рис. 8). Такие многоканальные приемники называют приемниками с параллельными каналами. Каждый канал позволяет оптимально измерять кодовую псевдодальность, фазу несущей и доплеровский сдвиг частоты сигналов указанных ГНСС. В каждом канале приемника Triumph используется 8-уровневый аналого-цифровой преобразователь, благодаря чему погрешность измерений в петлях слежения составляет не более 5 мм для псевдодальности и 0.005 мм для фазы несущей. Но в менее совершенных приемниках погрешности измерения составляют около 1% от длины волны или чипа, то есть 3 м для C/A кода, 0.3 м для P(Y) кода и около 2 мм для фазы несущей.

Рис. 8. Схема устройства приемника Triumph

[www. *****/default. aspx? mode=binary&id=933].

Мультиплексные и последовательные каналы. В то время как приемник с параллельными каналами имеет распределенные отдельные каналы для приема сигналов от каждого спутника, мультиплексный приемник некоторое время собирает данные от одного космического аппарата (КА), затем переключается на другой КА и собирает еще данные, и т. д. Такой приемник обычно может выполнять это, достаточно быстро переключаясь, чтобы отслеживать все спутники одновременно. Если каналы GPS приемника не предназначены для непрерывного сопровождения сигналов или одной частоты только одного спутника, то его называют мультиплексным или последовательным приемником, а также быстро переключающимся приемником. Мультиплексный приемник должен назначать одну частоту от одного спутника одному каналу в момент, он только делает это время очень коротким. Например, один канал может использоваться для слежения сигнала от одного спутника всего 20 мс, оставлять этот сигнал и отслеживать другой сигнал в следующие 20 мс, а затем возвращаться к первому, или же переходить на третий (рис. 9).

В противоположность мультиплексным приемникам, последовательные приемники работаю более медленно. Эти приемники также переключаются со спутника на спутник, но они собирают все данные от одного спутника, прежде чем переходить на следующий спутник. Поэтому, мультиплексный приемник переходит от спутника к спутнику с заранее определенными интервалами. Хотя мультиплексные и последовательные приемники в общем случае менее дорогие, они используется сегодня намного меньше, чем это было раньше. Для этого есть 4 причины. Приемники с параллельными распределяемыми каналами работают быстрее, имеют продолжительный захват фазы, у них обычно имеется избыточность для тех ситуаций, когда данные по какому-то спутнику оказываются неудачными, и они обрабатывают сигналы с более высоким SNR.

Рис. 9. Схемы слежения в приемниках различной архитектуры.

Процессор. Процессор приемника не только выполняет вычисления, такие как расчет эфемерид, определение углов высоты и азимутов спутников, вычисление координат и скорости наблюдателя (за что его часто называют «навигационным процессором»), но также контролирует функции слежения и измерений в цифровых цепях слежения.

Блок контроля (управления) и дисплей. Этот блок позволяет оператору управлять и запрашивать функции микропроцессора. Его размеры и тип очень изменчивы, начиная от блока ручной клавиатуры и рядов мягких клавиш, окружающих жидкокристаллический экран, установленный на передней панели корпуса приемника, и кончая единственной кнопкой для включения и нескольких светодиодов. Имеется также много типов электронных интерфейсов для специализированных применений, включая графические дисплеи для показа карт, компьютер, генерирующий речевой вывод, и интерфейсы с другой аппаратурой, например, контроллерами, инерциальными системами и др.

Записывающие устройства. В случае геодезических GPS приемников, измеренные данные должны храниться на некоторой подходящей среде для последующего вычисления базовых линий («пост-обработка»). В прошлом использовалось разнообразные устройства для хранения данных, включая кассеты и ленточные регистраторы, гибкие диски и компьютерные ленты, и т. д. В настоящее время почти все приемники используют либо жесткие диски (RAM), либо сменные «карточки памяти», либо флэш-карты, но они могут также быть подсоединяться непосредственно к компьютеру и данные могут записываться непосредственно на жесткий диск.

Электропитание. Транспортабельные GPS приемники используют постоянный ток низкого напряжения. Наблюдается тенденция к уменьшению энергопотребления. Геодезические ГНСС приемники являются достаточно гибкими в отношении питания, они могут работать от внутренних никель-кадмиевых или литиевых батарей, камкордеровых или автомобильных аккумуляторов, и даже от сети через преобразователь напряжения [Hofmann-Wellenhof et al. 2008; Grewal et al. 2001].

5. Измерение псевдодальности и фазы несущей

В большинстве приемников первой процедурой обработки входящего сигнала спутника является синхронизация C/A кода, принятого от спутника на L1, с копией C/A кода, созданной самим приемником. Этот процесс известен как измерение фазы кода. Когда нет начального совпадения между кодом спутника и копией от приемника, то время приемника сдвигается и находится код, который он создает до тех пор, пока не наступает оптимум корреляции, то есть совпадения двух сигналов (рис.10). Затем петля слежения за кодом удерживает их совмещенными. Временной сдвиг t, обнаруженный в этом процессе, является мерой времени прохождения сигнала от спутника до фазового центра антенны. Умножение этой временной задержки на скорость света c дает псевдорасстояние:

. (2)

Рис. 10. Измерение временной задержки по корреляции двух ПСП.

Полученное псевдорасстояние (или псевдодальность) отличается от действительного расстояния тем, что часы в приемнике и на спутнике в общем случае не синхронизированы и идут с несколько разным ходом. Кроме того, скорость света в атмосфере отличается от его скорости в вакууме, поэтому измерения дальностей содержат систематические ошибки, которые необходимо исправлять. Поскольку чипы в последовательности кодов спутника генерируются в точно известные моменты времени, совмещение последовательностей кодов спутника и приемника также дает отсчет по часам спутника в момент генерации сигнала.

Подобным образом измеряется P-кодовая псевдодальность, но из-за того, что последовательность Р-кода слишком длинная, цепи отслеживания Р-кода необходима помощь в установке ее генератора кодов близко к правильному месту для получения быстрого захвата сигнала спутника. Она получает эту помощь по Z отсчету, содержащемуся в слове HOW навигационного сообщения.

Многозначность C/A кодовой псевдодальности. В C/A кодовой псевдодальности содержится многозначность. В отличие от целой многозначности, связанной с измерением расстояния по фазе несущей, эта многозначность просто разрешается приемником в радиочастотном блоке. Во всяком случае, напомним, что весь C/A код от любого спутника повторяется каждую миллисекунду. Время прохождения сигнала от приемника до спутника занимает от 66 до 87 миллисекунд. Поэтому здесь должно быть от 66 до 87 полных периодов C/A кода в переходе между спутником и приемником в любой заданный момент (рис. 11).

Рис. 11. Период C/A кода укладывается в расстоянии до спутника от 66 до 87 раз.

Иными словами, тактовая частота C/A кода, то есть темп, с которым каждый чип модулируется на несущую, равна 1.023 Мб/с. Это значит, что при скорости света длина одного чипа примерно 300 м. Но весь период C/A кода равен 1023 чипам, или 1 мс, то есть примерно 300 км.

Эти повторяющиеся периоды C/A кода можно считать «линейками», простирающимися от спутника к приемнику. Каждая линейка имеет длину около 300 км с делениями в 300 м. Поэтому должно быть от 66 до 87 таких линеек между спутником и приемником. Таким образом, сырое наблюдение должно еще корректироваться путем добавления соответствующей величины, кратной 300 км, чтобы получить действительную псевдодальность. Это и есть целая многозначность C/A кода.

Рис. 12. P код в расстоянии от спутника до приемника не имеет многозначности.

В начале каждого из 5 подкадров навигационного сообщения есть HOW, hand over word, слово передачи. Каждое из этих слов HOW содержит Z отсчет первого бита данных последовательности TLM, telemetry word, слова телеметрии, в начале каждого следующего подкадра. Заметим, что это слово TLM – одно из 10 слов в подкадре. Как и все остальные слова, оно состоит из 30 бит данных, каждый них имеет длину в 20 мс.

Начало этого 20-миилисекундного бита данных, в начале слова TLM, точно синхронизировано с началом одного из периодов C/A кода, одной из этих «линеек», о которой уже говорилось. Это старт разрешения многозначности, но поскольку каждый период бита данных имеет длину 20 мс, то в каждом из них будет по 20 периодов C/A кода. Но это произойдет, что в тот же самый момент счет X1 равен нулю.

Коды X1 являются субкодами P – кода. Они генерируются с использованием четырех 12-битовых регистров: X1A, X1B, X2A и X2B. Достаточно сказать, что импульс счета на X1 имеет точно такую же длину, что и чип P кода, то есть 97.75 нс. Поэтому 10 импульсов X1, как и 10 чипов P кода, имеют точно такую же длину, что и один чип C/A кода.

Важно вспомнить, что в каждом бите данных есть 20 периодов C/A кода, как указано ранее. Каждый из этих периодов C/A кода состоит из 1023 чипов. А каждый из них соответствует 10 последовательно пронумерованным импульсам. Поэтому, в тот самый момент, когда начинается 20-миллисекундный бит данных, начинается слово TLM, и начинается период C/A кода.

Таким образом, многозначность C/A кода разрешается путем установки Z отсчета на величину HOW и импульса счета X1 на ноль в начале следующего подкадра навигационного сообщения. Если синхронизация бита данных GPS приемника установлена правильно в пределах 1 мс или менее, то время прохождения C/A кода будет однозначным и правильным. С другой стороны, если приемник совершает ошибку в своем выравнивании 1-миллисекундного периода C/A кода с 20-миллисекундным битом данных, то тогда импульс счета X1 будет иметь ошибку, кратную 1 мс; тогда обычная методика – пытаться вновь с изменениями на 1 мс в импульсе счета X1 [Grewal et al. 2001; ICD-GPS-200C 2003].

6. Измерение фазы несущей

Как только приемник использовал навигационное сообщение и измерил псевдодальность по C/A коду, он также может выделить навигационное сообщение, прочитать эфемериды и информацию из альманаха, использовать время GPS, и для тех приемников, которые могут использовать P код, применяя слово передачи HOW на каждом подкадре как указатель для отслеживания точного кода. Но пока лишь несколько изготовителей нашли способы находить псевдодальности по P(Y) кодовым наблюдениям, поскольку зашифрованный Y код доступен только авторизованным пользователям. К сожалению, ни C\A кодовые, ни P кодовые псевдодальности удовлетворяют точности для большинства геодезических применений. Поэтому следующий шаг в обработке сигнала для геодезических приемников состоит в наблюдении фазы несущей.

Как утверждалось ранее, как только они производят копию входящего кода, большинство приемников также производят копию входящей несущей волны. И основа измерений фазы несущей является комбинация этих двух частот. Напомним, входящий сигнал от спутника подвержен изменяющемуся доплеровскому сдвигу, в то время как копия в приемнике номинально постоянная.

Процесс начинается после того, как псевдадальность по C/A коду измерена, и петля слежения кода закрыта. Путем смешения сигнала спутника с копией несущей исключаются все фазовые модуляции, и создаются две промежуточных частоты или частоты биений. Как упоминалось ранее, одна из них является суммой комбинируемых частот, а другая - разностью частот. С помощью низкочастотного фильтра выбирается последняя из них, разностная. Затем сигнал посылается в петлю слежения за фазой, где местный генератор непрерывно корректируется таким образом, чтобы точно следовать за изменениями в фазе несущей, когда изменяется расстояние между приемником и спутником. Получается наблюдение накопленной фазы биений несущей путем простого подсчета всех прошедших циклов (посредством подсчета «переходов через ноль» волны биений) и измерения дробной фазы захваченного сигнала местного генератора.

Описанный здесь метод использует корреляцию по кодам, он обеспечивает все компоненты сигнала спутника: отсчет по часам спутника, навигационное сообщение и немодулированную несущую. Недостаток этого метода состоит в том, что необходимо знать псевдослучайные коды. Однако в случае шифрования P кода (режим Anti-Spoofing) эта возможность отсутствует. Тогда используются бескодовые или полубескодовые методы.

Метод, в котором не используются коды, принесенные сигналом спутника, называется бескодовым слежением или квадратированием сигнала. Он не использует измерение псевдодальностей и полагается исключительно на наблюдения фазы несущей. Как и другие методы, он также зависит от создания промежуточной частоты (частоты биений). При квадратировании сигнала частота биений создается посредством умножения входящего сигнала на самого себя. В результате получается удвоенная частота, то есть длина волны уменьшается вдвое по сравнению с исходной. Другими недостатками этого метода является то, что в процессе квадратирования несущей с нее удаляются все коды, в том числе и навигационное сообщение, а также ухудшается отношения сигнал-шум, потому что при квадратировании несущей шум фона также квадратируется. Поэтому этот метод должен получать информацию, такую как альманах и поправки часов из других источников.

Но квадратирование сигналов имеет также и положительные качества. Оно уменьшает влияние многопутности. Оно не зависит от PRN кодов и ему не мешает шифрование P кода. Этот метод работает и на L2, и на L1, и эта облегчает двухчастотную ионосферную коррекцию. Поэтому квадратирование сигналов может обеспечивать высокую точность даже на длинных базовых линиях.

Метод кросс корреляции является также бескодовым. Он основан на том, что неизвестный Y-код идентичен на обеих несущих, что дает возможность проводить кросс корреляцию сигналов L1 и L2. Из-за того, что скорость распространения ради волны в атмосфере зависит от частоты, Y-код на L2 идет несколько медленнее, чем на L1. Временная задержка, необходимая для того, чтобы в приемнике сигналы L1 совпали с сигналами L2, равна разности во времени прохождения пути двумя сигналами. Задержка сигнала L2 изменяется и должна соответственно корректироваться, чтобы достигался максимум корреляции между сигналами L1 и L2. Полученные из процесса корреляции наблюдения представляют разности расстояний между двумя сигналами, полученными из временной задержки Y-кода на двух несущих, то есть , а разность фаз получается по несущей частоты биений.