1.7.6. Принципы демодуляции принимаемых сигналов

При выполнении измерений расстояний до спутников, а также в целях получения информации, передаваемой в составе навигационного сообщения, возникает необходимость выделения из состава модулированных колебаний всех интересующих нас сигналов, на основе которых выполняются упомянутые процедуры. К таким сигналам относятся кодовые сигналы, с помощью которых определяют грубые значения расстояний (псевдодальности), гармонические колебания с частотой биений, используемые для получения точных значений расстояний до спутника (фазовые измерения), а также бинарные сигналы, несущие в себе различную измерительную и служебную информацию (см. подраздел 1.5.5).

Все перечисленные сигналы передаются со спутника в составе модулированных по фазе несущих колебаний. Их разделение в приемной аппаратуре потребителя осуществляется на основе процесса, получившего название демодуляции.

Следует заметить, что процедура демодуляции неразрывно связана с рассмотренными выше методами селекции, поиска, захвата и отслеживания сигналов от интересующих нас спутников. При этом наибольшее распространение получил кодово-корреляционный метод реализации отмеченных процедур. Принцип разделения и демодуляции принимаемых GPS-сигналов поясняет функциональная схема (рис. 1.15).

Приведенная на схеме замкнутая петля отслеживания кодовых сигналов используется для автоматического захвата и отслеживания упомянутых сигналов от выбранного спутника (см. подраздел 1.7.4).

Входящий в состав замкнутой цепочки генератор кодовых сигналов с регулируемой линией задержки позволяет сформировать местный кодовый сигнал, совпадающий с принимаемым от селектируемого спутника кодовым сигналом не только по своей структуре, но и согласован с ним во времени с требуемой точностью.

Поскольку принимаемый кодовый сигнал несет в себе информацию о показаниях часов на спутнике, то синхронизированный с ним во времени кодовый сигнал местного генератора может быть использован для регистрации показаний спутниковых часов, а значит и для получения информации для отсчета точного времени. С помощью счетчика регистрируется временное смещение показаний часов на спутнике и в приемнике. По величине этого смещения определяется значение псевдодальности. Временное смещение часто называют фазовым сдвигом кодовых сигналов. Для воспроизведения синфазных гармонических колебаний, не подверженных воздействию кодовых сигналов и сигналов навигационного сообщения, используется другая

63

м /

		Демодулятор
Смеситель		навигационного
		сообщения	К дешифратору
			навигационного сообщения
		Петля отслеживания фазы
		несущих колебаний
		Синхронизируемый
		по фазе генератор
			К фазоизмерительному
			устройству
		Петля отслеживания
		кодовых сигналов
t	t		К регистратору показаний
Корреляционный		Генератор кодовых	часов спутника
перемножитсль		сигналов
			К регистратору
			псевдодальностей (фазы
Опорный		Счетчик показаний	кодовых сигналов)
генератор		часов

Рис. 1.15. Функциональная схема, поясняющая кодово-корреляционный метод демодуляции принимаемых GPS-сигналов

замкнутая петля отслеживания фазы несущих колебаний (система ФАПЧ), реализуемая на основе управляемого по напряжению и синхронизируемого по фазе местного генератора гармонических колебаний. В схему такой цепочки обратной связи наряду с упомянутым генератором входят также (на схеме не показаны) квадратурный фазовый дискриминатор и блок управления. Первый из них позволяет получить на своем выходе сигнал, величина которого пропорциональна фазовому сдвигу между принимаемыми и местными колебаниями, причем этот сигнал не подвержен влиянию модулирующих кодовых и навигационных сигналов. Что касается схемы управления, то за счет ее воздействия на синхронизируемый генератор величина сигнала на выходе фазового дискриминатора сводится к нулю, обеспечивая тем самым совпадение по фазе принимаемых и местных гармонических колебаний. В результате появляется возможность использовать при фазовых измерениях вместо «зашумленных» принимаемых от спутника гармонических колебаний неподверженные такому влиянию гармонические колебания местного генератора, которые поступают на вход фазоизмерительного устройства.

64

Для восстановления в GPS-приемнике навигационного сообщения, передаваемого со спутника в бинарной форме, используется отмеченный на схеме демодулятор навигационного сообщения, работа которого базируется на взаимодействии модулированных по фазе принимаемых колебаний с смодулированными гармоническими колебаниями, возбуждаемыми местным синхронизированным генератором. В результате сравнения упомянутых сигналов удается с помощью фильтра низких частот выделить бинарный низкочастотный сигнал навигационного сообщения, который поступает в дешифратор с целью восстановления закодированной информации, содержащейся в передаваемом навигационном сообщении.

Обобщенный анализ схемы (см. рис. 1.15) показывает, что на ее основе удается раздельно восстановить все интересующие нас сигналы, передаваемые со спутника в составе модулированных несущих колебаний дециметрового диапазона.

1.7.7. Краткие сведения о работе системы управления GPS-приемника

Описанный выше принцип работы GPS-приемника свидетельствует о том, что в процессе подготовки и проведении спутниковых наблюдений возникает необходимость выполнения многочисленных операций, связанных с оперативным управлением работой различных узлов приемника. Кроме того, непосредственно в приемнике производится предварительная обработка получаемой информации и ее регистрация с помощью тех или иных запоминающих устройств. Для реализации всех этих операций в состав приемника вводится соответствующая специализированная микроЭВМ, включающая в себя процессоры, таймер, различные запоминающие устройства (ОЗУ и ПЗУ), интерфейсные платы для стыковки с пультом управления и индикации, с внешней регистрирующей аппаратурой, а также другие характерные для вычислительной техники узлы. Управление работой такого вычислительного комплекса осуществляется пультом управления и индикации, с помощью вводимой в приемник программы. Не останавливаясь на разнообразных подходах, связанных с процедурой автоматизированного управления работой приемника, рассмотрим в качестве примера одну из блок-схем (рис. 1.16), иллюстрирующую принцип последовательного изменения состояний GPS-приемника, характерных для поиска, захвата и отслеживания спутниковых сигналов.

После установки приемника на пункте и включения питания в нем, как правило, устанавливается режим ожидания принимаемых от спутников сигналов. При поступлении последних на вход приемника

65

и при наличии в памяти приемника альманаха производится предвычисление местоположения селектируемого спутника. Если в памяти приемника альманах отсутствует, то включается режим сбора данных альманаха, на что затрачивается дополнительное время (около 12,5 мин). Последующей операцией в работе приемника является синхронизация режима работы входящих в состав приемника генератора кодовых сигналов и синхронизируемого по фазе генератора гармонических колебаний.

Включение приемника

Рис. 1.16. Блок-схема последовательных режимов работы приемника в процессе подготовки и проведения наблюдений

66

Врезультате такой синхронизации осуществляется захват сигнала от соответствующего спутника и последующий начальный сбор регистрируемых данных. В дальнейшем в приемнике поддерживается режим отслеживания захваченных сигналов и периодическое взятие отсчетов, используемых при вычислении расстояний до спутников и для регистрации показаний точного времени.

Вболее общем представлении система управления приемником позволяет также управлять потоком получаемой информации, производить предварительную обработку данных, индицировать на табло дисплея интересующую оператора информацию, производить самодиагностику правильности функционирования приемника, контролировать источники питания и выполнять целый ряд других операций. Для иллюстрации на рис. 1.17 приведена упрощенная структурная схема системы управления GPS-приемника, на которой отображены связующий модуль общего управления и соподчиненные модули, выполняющие как управленческие функции, так и функции, связанные с предварительной обработкой данных в приемнике.

Рис. 1.17. Упрощенная структурная схема управленческих функций приемника

Входящий в состав данной схемы модуль общего управления выполняет распределительные функции, а также целый ряд вспомогательных функций (в частности, выбор различных режимов работы приемника).

Система управления подготовкой приемника к наблюдениям и процессом их проведения осуществляет описанную выше последовательность операций, которые реализуются на стадии подготовки приемника к наблюдениям и в процессе их проведения.

С помощью системы первичной обработки данных осуществляется весь комплекс вычислительных операций, позволяющий оперативно непосредственно в приемнике получать некоторые конечные результаты наблюдений (например, приближенные координаты мес-

67

тоположения пункта наблюдения), а также представлять в наиболее приемлемой форме данные, которые подлежат дальнейшей обработке в камеральных условиях.

Система управления компрессией и фильтрацией данных позволяет произвести уплотнение, т.е. объединение снимаемых отсчетов в отдельные группы, с тем, чтобы существенно уменьшить объем поступающей в блоки памяти информации с одновременным повышением качества такой информации за счет отбраковки данных, не удовлетворяющих предъявляемым требованиям.

В отдельных типах приемников предусматриваются различные формы и методы хранения запоминаемой информации, а также ее оперативная передача по тем или иным каналам связи в конечные пункты назначения. Эти функции в приемнике выполняет система управления передачей и хранением данных.

Применительно к конкретным типам GPS-приемников перечень управленческих функций может существенно видоизменяться и дополняться. Повышенного внимания при этом заслуживает система первичной обработки данных, производимой непосредственно в приемной аппаратуре.

/ . 7.8. Обработка данных, производимая в приемнике

Как уже отмечалось ранее, одна из функций GPS-приемника заключается в первичной обработке результатов измерений, базирующихся на использовании временных запаздываний передаваемых со спутника кодовых сигналов и фазовых сдвигов, характерных для поступающих на вход приемника несущих колебаний.

Всоответствии с уравнением (1.3) на основе кодовых сигналов

вGPS-приемнике определяется время прохождения электромагнитным излучением расстояния между спутником и приемником, которое позволяет определить псевдодальность (см. уравнение (1.4)), включающую в себя истинное расстояние и поправочный член, обусловленный различием показаний часов на спутнике и в приемнике. Одновременное измерение псевдодальностей до четырех спутников и имеющаяся в приемнике информация о координатах этих спутников на момент измерений позволяют вычислительному комплексу приемника на основе пространственной линейной засечки определить координаты пункта наблюдения с учетом упомянутой выше поправки из-за расхождения в показаниях часов спутника и приемника.

Обычно получаемую информацию о местоположении приемника оператор может наблюдать на экране дисплея непосредственно в про-

68

цессе сеанса наблюдений. После прекращения «искусственного зашумления» в 2000 г. точность такого позиционирования с использованием С/А-кода оценивается погрешностью, заключенной в пределах от 5 до 10 м.

При работе с GPS-приемником геодезического типа наибольший интерес представляет первичная обработка фазовых измерений, на основе которых в процессе дальнейшей «пост-обработки» открывается возможность получения характерной для геодезии высокой точности измерений.

В качестве первичной информации при фазовых измерениях используются регистрируемые с помощью цифрового фазоизмерительного устройства сдвиги фаз между принимаемыми от спутника несущими колебаниями и формируемыми в приемнике опорными колебаниями. Из-за непрерывного изменения расстояния до спутника, что связано с его перемещением, регистрируемые данные подвержены сравнительно быстрым изменениям. В связи с этим регистрация отсчетов производится достаточно часто (как правило, через 0,1 с) с выполнением последующей корректировки, обусловленной упомянутыми выше изменениями измеряемых дальностей. Эти данные подвергаются в приемнике уплотнению, в результате чего образуются выборки, интервал между которыми может изменяться по желанию оператора (диапазон таких изменений определяется оператором и лежит в большинстве случаев в пределах от 1 до 60 с).

При уплотнении производится процесс сглаживания значений получаемых данных с использованием соответствующего аппроксимирующего полинома, отображающего закономерность изменения этих данных в пределах осуществляемой выборки (обычно ограничиваются при этом использованием полинома второй степени).

Наряду со сглаживанием во многих типах GPS-приемников предусматривается процедура, получившая название фильтрации Калмана. Сущность такой процедуры, характерной, как правило, для динамических систем, состоит в систематическом сравнении получаемых в результате наблюдений данных с предсказанными их значениями на основе знания закономерности их изменения с течением времени. При уклонении реальных данных от предсказанных величин свыше установленных норм производится их отбраковка.

Следует отметить, что при наблюдениях, осуществляемых с помощью одного приемника, не удается исключить из результатов фазовых измерений целый ряд погрешностей систематического характера

69

и тем самым надежно разрешить свойственную фазовым измерениям неоднозначность. В связи с этим не предпринимаются попытки вычисления непосредственно в приемнике окончательных значений расстояний до спутников на основе фазовых измерений несущих колебаний. С учетом вышеизложенного уплотненные значения фазовых сдвигов после соответствующих процедур сглаживания и фильтрации передаются в предусмотренные в приемнике устройства памяти с целью их использования в процессе дальнейшей обработки, базирующейся на применении аналогичной информации от других одновременно работающих приемников.

Помимо рассмотренных процедур, связанных с обработкой кодовых и фазовых измерений, в приемно-вычислительных комплексах производится обработка различной информации, как передаваемой со спутника в составе навигационного сообщения, так и поступающей с клавиатуры непосредственно от оператора. Более подробно этот круг вопросов рассматривается, как правило, в технических руководствах к конкретным типам приемников.