Технически характеристики на сигнала

Технически характеристики на сигнала

Генериране на GPS сигнала

Всеки един от GPS-спътниците излъчва навигационните си сигнали на две честоти от електромагнитния спектър:

• честота L1 = 1575,42MHz и
• честота L2 = 1227,60 MHz.

На тези честоти сигналите са изключително зависими от посоката си на разпространение и от отражения от твърди обекти и водни повърхности, но метеорологичните условия оказват слабо влияние. Сигналите се излъчват от спътниците с достатъчна мощност (~25,6 W и антени с 13 dB усилване), за да се осигури ниво на сигнала най-малко -160 dBW на земната повърхност.

GPS-сигналът се състои от:

• два основни носещи сигнала;
• псевдослучайни рейнджинг-кодове, с които са модулирани основните носещи честоти;
• навигационно съобщение;

Носещите сигнали предават към потребителя псевдослучайните рейнджинг кодове и навигационното съобщение. Основната цел на рейнджинг-кодовете е да позволят да се определи времето на пътуване на сигнала от източника (спътника) до приемника. Времето на пътуване, умножено по скоростта на светлината, дава разстоянието от източника до приемника. Навигационното съобщение модулира и двете носещи честоти и съдържа информация за положението на спътниците, грешките на часовниците на борда им, данни за състоянието на системата и параметрите на йоносферния модел използван при определянето на грешката от преминаването на сигнала през йоносферата.

Носещи сигнали

В системата GPS се използва метод за многостанционен достъп с кодово разделяне на каналите (CDMA), който осигурява защита от смущения на приеманите сигнали. Всеки спътник предава радионавигационни сигнали с разширен спектър (SSS - Spread Spectrum Signal) на две кохерентни носещи честоти: 1575,42MHz (L1) и 1227,60MHz (L2). Освен тези честоти са предвидени и други, които се използват главно за военни цели или са предвидени за бъдещо използване:

• L1 (1575,42MHz): Основна честота за GPS, използвана за носеща честота на сигналите, кодирани с цивилен код
• L2 (1227,60MHz): Използвана за кодиране на сигнала с военен код
• L3 (1381,05MHz): Носеща честота на сигнали, използвани от Министерството на отбраната на САЩ за откриване на атомни детонации, изстрелване на ракети и други високо енергийни, инфрачервени събития.
• L4 (1841,40MHz): Проучвана за допълнителни корекции на грешките в йоносферата
• L5 (1176,45MHz): Предвидена за бъдещо цивилно използване

За да се пренесе необходимата за определяне на положението информация, носещите честоти са модулирани по фаза с два различни псевдослучайни кода и с навигационното съобщение. Те съдържат съответно разстоянието до излъчващия спътник и положението на съзвездието от всички GPS-спътници. Честотата L1 е модулирана с два кода и е предназначена за цивилни потребители, докато честотата L2 е модулирана само с един военен код. Навигационното съобщение се съдържа и в двата сигнала.

Всички сигнали, генерирани от GPS-спътниците, се получават като кратни на основната честота на атомните часовници на борда им. Спътниците от Block II/IIA са екипирани с два цезиеви и два рубидиеви часовника, които генерират синусоиден сигнал с основна честота f0 = 10,23MHz.

За да компенсира релативистичните ефекти, изходната честота, генерирана от спътниците, е 10,23MHz (както се приема от наблюдател на земята), отместена с f = -4,5710-10 Hz.

Чрез умножение на основната честота f0 по 154 и по 120 се получават съответно честотите на двата носещи сигнала L1 и L2:

fL1 = f0 154 = 1575,42MHz (дължина на вълната L1 = c / fL1 = 19cm)

fL2 = f0 120 = 1227,60MHz (дължина на вълната L2 = c / fL2 = 24cm)

Всички GPS-спътници излъчват сигнал на една и съща честота, но се приемат с различни поради ефекта на Доплер.

Псевдослучайни кодове

Псевдослучайните кодове (PRN code) се използват за определянето на разстоянието до спътниците. Тези кодове имат характеристики, близки до случаен шум, но с циклични повторения. Към псевдослучайните сигнали се добавят чрез сума по модул навигационните данни, които се съдържат в бордовите компютри на спътниците и се актуализират от земния команден център. Всеки спътник се идентифицира по псевдослучаен номер (PRN-number), което позволява използването на една и съща честота за всички спътници.

Съществуват два вида псевдослучайни кодове, които се използват при GPS: C/A-код („clear/access“ или „coarse/acquisition“ code) и P-код („private“ или „precise“ code).

C/A-кодът се състои от 1023 бита с повторение 1 милисекунда. Всеки спътник излъчва уникална поредица от 1023 бита, което позволява на приемника да го различи от останалите.

Прецизният P-код се използва за военни цели и представлява псевдослучаен код с цикъл на повторение 267 дни. Всеки спътник излъчва уникален отрязък от този код, който се променя всяка седмица.

Навигационно съобщение

Навигационното съобщение представлява сигнал с честота 50 Hz, съдържащ данни за орбитите на спътниците, корекции на часовниците, данни за състоянието на системата и др. Тези данни се предават непрекъснато от спътниците и служат за определяне на позицията им и времето на излъчване на сигнала. Прецизните данни за орбитите се наричат ефемериди и се обновяват на всеки два часа. Друг вид данни, наречени алманах, се обновяват веднъж на седмица и не са толкова прецизни както ефемеридите.

Цялото навигационно съобщение се състои от 37 500 бита и при честота от 50 bit/s са необходими 12,5 минути за предаването му. Това е времето необходимо и за инициализирането на един приемник, за да може да определи позицията, ако няма запазена информация в паметта.

Навигационното съобщение е разделено на 25 части (структури), всяка от които е по 1 500 бита, предавани за 30 секунди. Всяка от тези части е разделена на 5 подчасти от по 300 бита или 10 думи от по 30 бита. Първата дума на всяка структура се нарича TLM („telemetry word“) и съдържа информация за „възрастта“ на ефемеридите. Следващата дума се нарича HOW („hand over word“) и съдържа информация за времето от последното „рестартиране“ на GPS-времето. Тя дава възможност и за използването на Р-код на потребители, оборудвани с дешифратор.

Всяка от 5-те подчасти на структурите на навигационното съобщение съдържа данни както следва:

• Първата съдържа времето на излъчване на съобщението, параметри за точността на часовниците и корекциите им, както и информация за състоянието на спътника и оценка за точността на положението му. Тази част съдържа също и 10-битов номер на седмицата (от 0 до 1023), започващ от 00:00 часа на 6 януари 1980 г. и рестартиран всеки 1024 седмици.
• Втората и третата съдържат данни за ефемеридите, които представляват много точни параметри за орбитите на спътниците.
• Четвъртата и петата съдържат данни за алманасите (приблизителни орбитални параметри) и състоянието на спътниците, както и информация за UTC времето и йоносферни корекции.