19.5. Кодовые измерения

При кодовых измерениях, как уже отмечалось ранее, измеряе­мой величиной является время распространения сигнала т от спут­ника до приемника, в которое входит как задержка в атмосфере, так и совокупное отклонение часов спутника и приемника от си­стемного времени. Это время измеряют путем корреляционной обработки кодовых сигналов.

Сущность корреляционной о б работки. Поня­тие «корреляционная обработка» относится главным образом к широкополосным сигналам, т. е. сигналам, обладающим широким спектром. К таким сигналам относятся, в частности, и синусои­дальный сигнал несущей, модулированный кодовой (псевдослу­чайной) последовательностью, и сам кодовый модулирующий сигнал, представляющий собой последовательность прямоуголь­ных импульсов различной длины.

Если имеется два одинаковых, но сдвинутых по времени на не­которую величину т широкополосного сигнала S₁(t) и S₂(t + x), то вводят понятие корреляционной функции этих сигналов

где угловые скобки означают усреднение за большой период времени — такой, который больше периода самой низкочастотной составляющей спектра сигналов S_l и S₂. Эта корреляционная функция имеет один резко выраженный максимум при = 0. Следовательно, если изменять задержку до получения максимума кор­реляционной функции, то тем самым можно измерить эту задержку.

Этот принцип положен в основу кодовых измерений времени распространения. В приемнике формируется точно такой же псев­дослучайный код. Этот код (называемый местным) и приходящий от спутника сигнал подаются на коррелятор (рис. 19.10), обеспе­чивающий переворот фазы приходящего несущего колебания на 180° в моменты смены символов местного кода. Тогда при измере­нии задержки местного кода относительно кода, содержащегося в спутниковом сигнале, до момента, когда эта задержка станет рав­ной нулю, на выходе коррелятора возникает немодулированное колебание несущей частоты, так как при совпадении кодов к 180°-ным сдвигам фазы несущей от спутникового кода будут в те же моменты добавляться 180°-ные сдвиги от местного кода, а зна­чит, общий сдвиг фазы несущей составит 360° (нулевой), т. е. фа­зовая манипуляция снимается. При этом мощность сигнала на вы­ходе фильтра резко возрастает (что соответствует максимуму кор­реляционной функции). Таким образом, появление немодулированного колебания служит индикатором совпадения спутниковой и местной кодовых последовательностей, которые были сдвинуты во времени. Эту временную задержку и измеряют при сдвиге местного кода относительно спутникового до их совпадения. В результате корреляционная обработка позволяет при большой длительности интервала осреднения выделить полезный сигнал из шумов, пре­вышающих его по мощности в сотни раз. Следует, однако, иметь и виду, что при обработке по грубому С/А-коду можно изменить задержку только в пределах временной длительности этого кода (его периода повторения Т_ПСП), которая составляет 1 мс. Полное же время распространения сигнала значительно больше одной миллисекунды. Его можно представить в виде

где N— неизвестное число миллисекунд во времени ; — доля временного ин­тервала, которую можно измерить

(0 < < Т_ПСП ⁼ 1 мс).

То есть возникает проблема разрешения неоднозначности, как и при фазовых измерениях. Но здесь ее решают без особых затруд­нений. Дело в том, что за 1 мс радиоволна проходит 300 км. Число миллисекунд во времени распространения сигнала равно числу 300-километровых отрезков в расстоянии до спутника, которое равно примерно 20 000 км. Для верного определения числа N рас­стояние до спутника надо знать с ошибкой не более 150 км. Его нетрудно вычислить по координатам спутника и приближенным координатам наземной станции. В результате можно получить N, а затем найти полное время .

Определив и умножив его на скорость света в вакууме, полу­чают последовательность, описываемую формулой (19.5),

Задержку сигнала в атмосфере обычно подразделяют на задержку в тропосфере и задержку в ионосфере.

Определение координат из кодовых изме­рений. Запишем полученную из кодовых измерений псевдо­дальность в виде

где _Т и _И — суммарные «вклады» тропосферы и ионосферы, выраженные в ли­нейной мере, обусловленные как задержками, так и рефракционным удлинением траектории. Эти величины могут быть определены по известным формулам, осно­ванным на использовании стандартных моделей (при использовании двухчастотных приемников величина _И может быть практически исключена). Поэтому эти величины в формуле (19.6) можно считать известными. Неизвестными остаются и .

Дальность связана с геоцентрическими координатами прием­ника X, Y, Z и спутника X_s, Y_s, Z_s известным из аналитической геометрии соотношением

аналогичным формуле (19.1).

Координаты спутника X_s, Y_s, Z_s получаются по эфемерид! 1ым данным, которые с помощью сектора управления и контроля за­кладывают в навигационное сообщение, транслируемое со спут­ника в приемник, т. е. Xs, Y_s, Z_s являются известными величина ми. Поэтому уравнение (19.6) фактически содержит четыре неиз­вестных: три координаты приемника (определяемого пункта) X, Y, Z и разность показаний часов . Если одновременно измерить псевдодальности до четырех спутников, то получим систему четы­рех уравнений вида (19.6) с четырьмя неизвестными, из решения которой и находят искомые координаты пункта X, Y, Z¹.

Дифференциальный способ кодовых изме­рений. В дифференциальном способе в отличие от автономного измерения одновременно выполняют двумя приемниками. Один приемник — неподвижный (Referenc), ставят на пункте с извест­ными координатами, т. е. на базовой станции или опорной. Дру­гой приемник — мобильный (Rover), размещают над определяе­мым пунктом. Поскольку координаты базовой станции известны, то их можно использовать для сравнения с определяемыми и на­ходить на этой основе поправки для мобильной станции. Суще­ствует несколько способов коррекции. При кодовых способах по­правки вводят как в псевдодальности, так и в координаты.

В одном случае измеренные на базовой станции псевдодально­сти сравнивают с расстояниями, вычисленными по известным ко­ординатам спутника и станции, и определяют их разности. Эти разности, называемые дифференциальными поправками, передают на мобильную станцию при помощи дополнительной радиосвязи (радиомодема). Мобильная станция, получив дифференциальные поправки, исправляет свои измеренные псевдодальности и по ним вычисляет координаты.

В другом случае базовая станция вычисляет разности между из­вестными координатами и определенными в автономном режиме, и ими исправляют координаты на мобильной станции. При этом важно, чтобы оба приемника измеряли псевдодальности до одних и тех же спутников. Поправки можно вводить и в режиме постоб­работки — обработке после измерений.

Дифференциальный метод позволяет повысить точность кодо­вых измерений в диапазоне от нескольких метров до нескольких дециметров. В разных странах существует целая сеть базовых стан­ций, передающих дифференциальные поправки для заинтересо­ванных пользователей (бесплатно или на коммерческой основе).

Первая в России сеть базовых станций, названная «Спутнико­вая система межевания земель (ССМЗ)», создана в 2003 г. для Москвы и Московской области (см. подробно в разд. 19.14).