19.4. Структура сигнала спутника

Спутниковый сигнал представляет собой электромагнитные ко­лебания на двух несущих частотах L₁ и L₂ , подвергнутых особому виду фазовой модуляции — фазовой манипуляции, суть которой состоит в изменении фазу несущей на 180° в определенные мо­менты. Эти моменты задаются так называемыми дальномерными кодами — определенными последовательностями нулей и единиц. Переброска фазы происходит в моменты смены в кодах 0 на 1 или 1 на 0 (рис. 19.7).

Используют два кода: один для «грубых», другой для «точных» измерений. Грубым кодом модулируют несущую L₁, а точным – обе несущих L₁ и L₂. Грубый код называют С/А-кодом (Coaase Acquisition — легко обнаруживаемый, общедос­тупный), а точный — Р-кодом (Precision — точный). С/А-код предназначен для всех пользователей. Р-код вначале предназначался в основном для американских военных. Сейчас, однако, доступ к нему имеют практически все пользователи приемников.

С помощью кодов измеря­ют расстояния временным методом путем корреляцион­ной обработки сигнала, о чем будет сказано в разделе. По-

мимо измерения расстояний с помощью кодов передают со спут­ника другую информацию: метки времени, данные об эфемери­дах¹ спутника, различные поправки, альманах (данные о местопо­ложении каждого спутника и состоянии его «здоровья») и др. Вся эта информация, образующая навигационное сообщение, также пре­образуется в двоичный код (последовательность нулей и единиц), которым дополнительно модулируются обе несущие частоты. Та­ким образом, сигнал каждого спутника состоит из двух несущих колебаний различных частот, модулированных по фазе как даль­номерными кодами, так и навигационным сообщением. Частота следования символов навигационного сообщения составляет 50 Гц, т. е. 50 бит/с (один символ — 0 или 1 — содержит один бит информации).

Принцип формирования спутникового сигнала показан на ри­сунке 19.5. Высокостабильный опорный кварцевый генератор, стабилизированный при помощи атомных эталонов частоты, гене­рирует колебания с частотой 10,23 МГц, из которых образуются все остальные частоты — несущие, частоты следования символов С/А- и Р-кодов (тактовые частоты) и символов навигационного сообщения.

Далъномерным кодом называют последовательность сигналов, которые могут находиться в двух различных состояниях, условно им приписывают значения (символы) 0 и 1. Эти состояния прину­дительно чередуются таким образом, что в их смене невозможно заметить какой-либо закономерности, т. е. чередование выглядит случайным, но через определенные интервалы времени оно пе­риодически повторяется с точностью до каждого символа. По­добные последовательности называют псевдослучайными и обра­зуют псевдослучайные коды. На спутнике и в приемнике генериру­ются совершенно одинаковые коды, которые сдвинуты по време­ни. Период повторения псевдослучайных последовательностей (длительность кода) существенно различен для «грубого» и «точ­ного» кодов. Так, С/А-код повторяется каждую миллисекунду, а длительность Р-кода составляет 266,4 сут. Короткая длительность С/А-кода позволяет легко захватить сигнал спутника на частоте L₁. Значительно труднее захватить спутниковый сигнал на несущей L₂, которая модулирована только Р-кодом. Его большая длитель­ность выбрана разработчиками специально, с целью затруднить доступ к нему для несанкционированных пользователей. Общая длительность Р-кода разбита на недельные отрезки, распреде­ленные по всем спутникам системы, т. е. Р-код каждого спутника меняется через неделю. Разработчиками GPS было предусмотре­но введение режима избирательного доступа (СА), при котором в целях снижения точности намеренно вносят искажения в дальномерный код и загрубляют эфемеридную информацию в нави­гационном сообщении (в настоящее время режим SA отменен).

Принцип построения генератора дальномерного кода состоит в формировании так называемых сдвиговых регистров с обратными связями, представляющих собой набор последовательно соединен­ных бинарных ячеек — элементов с двумя устойчивыми состояния­ми. Одному из этих состояний приписывают символ 0, другому — 1.

Подачей электрического импульса на ячейку эти состояния можно переключать, а подачей импульса на общей для всех ячеек шине — передавать символ на следующую ячейку, т. е. продвигать его на один разряд к выходу. Введя с выхода последней ячейки на вход первой цепь обратной связи с включенным в нее суммато­ром, получим генератор псевдослучайной последовательности (ПСП).

Поясним сказанное на простом примере трехразрядного реги­стра (т. е. содержащего три ячейки), схема которого показана на рисунке 19.8. Предположим, что в начальном состоянии во всех трех разрядах записаны единицы. По общей шине подаются так­товые импульсы с частотой f_ИМП. На первом такте, т. е. при поступ­лении первого тактового импульса, на сумматор подается единица с выхода первого разряда и единица с выхода третьего разряда. Сумматор осуществляет сложение по модулю 2:

1 + 1=0

1 + 0 = 1

0+1 = 1

0 = 0 = 0.

Следовательно, сложение двух единиц даст 0, который запи­шется в первый разряд. Одновременно единица, находящаяся в первом разряде, подвинется во второй, единица из второго разря­да—в третий, а единица из третьего разряда — на выход. Анало­гично будет происходить процесс при поступлении 2-го, 3-го и т. д. тактовых импульсов (табл. 19.1)

19.1. Формирование псевдослучайной последовательности

		Разряды
Такт				Выход ПСП
	1	2	3
0	1	1	1
1	0	1	1	1
2	1	0	1	11
3	0	1	0	111
4	0	0	1	0111
5	1	0	0	10111
6	1	1	0	010111
7	1	1	1	0010111

На седьмом такте во всех разрядах регистра окажутся те же чис­ла, что и на нулевом такте, и далее полученная кодовая последова­тельность 0010111 будет периодически повторяться с периодом Тиса (Рис. 19.9).

Если на рисунке 19.8 подключить сумматор к выходу не перво­го, а второго разряда, то последовательность чередования нулей и единиц изменится, но число символов в длительности кода оста­нется прежним (семь). Оно зависит только от числа разрядов.

Как уже отмечалось, каждый спутник имеет свой С/А-код. Они различаются только порядком чередования нулей и единиц при сохранении общей длительности. Это достигнуто тем, что на сум­матор подаются сигналы от различных пар ячеек регистра.

Г енератор Р-кода устроен сложнее — в нем вместо двух ис­пользуется четыре 10-разрядных регистра. Особенностью работы по Р-коду длительностью 7 сут является то, что для вхождения в синхронизм (для захвата спутника) требуется знать точное время по часам приемника, что дает возможность приближенно пред­сказать сдвиг местной (генерируемой в приемнике) ПСП относи­тельно ПСП, приходящей от спутника.

Навигационное сообщение содержит 1500 бит и занимает 30 с. Оно разделено на 5 субкадров по 300 бит, каждый из которых пе­редается в течение 6 с. Субкадр состоит из 10 слов по 30 бит.

Каждый субкадр начинается с телеметрического слова TLM, содержащего сообщение о состоянии спутника. Вторым словом каждого субкадра является ключевое слово HOW, содержащее метку времени, записанную в виде 29-разрядного числа в двоич­ном коде.

Остальная информация распределяется по субкадрам следую­щим образом.

Субкадр 1 содержит данные о поправке часов спутника относи­тельно системного времени GPST и коэффициенты, заложенные в модель задержки радиосигнала при прохождении его через ионо­сферу. Информация об ионосфере предназначена для абонентов, использующих только одночастотные приемники (принимающие только частоту L₁).

Субкадры 2 и 3 содержат эфемериды транслирующего спутника, полученные по данным наземных станций слежения. Они коррек­тируются каждый час и позволяют вычислить текущие координа­ты спутника на момент измерения псевдодальности. Эфемериды включают в себя элементы кеплеровской орбиты на опорный мо­мент и поправки к ним, позволяющие прогнозировать элементы орбиты внутри периода действия эфемерид.

Субкадр 4 зарезервирован для передачи служебной информа­ции.

Субкадр 5 содержит альманах, т. е. приближенные эфемериды всех спутников системы и данные об их работоспособности. Аль­манах используют для планирования измерений.