Навигационные сигналы

Каждый спутник на строго определенных частотах генерирует сигналы, в которые путем модуляции встраи­ваются дополнительные данные, включающие измерительные коды и навигационные сообщения (свои эфемериды, данные о точности часов, параметры модели ионосферной задержки, временные метки и альманах). Соответствующая обработка принятых спутниковым приемником сигналов позволяет вычислить положение фазового центра его антенны в нужной координатной системе.

Сигналы передаются на близких и частично перекрывающихся участках частотного спектра и обозначаемых символами L, G и E, обозначающими принадлежность системе (рис. 10.12).

GPS L5	Galileo E5	GPS L2	ГЛОНАСС G2	Galileo E6	GPS L3, L4	E2	GPS L1	E1	ГЛОНАСС G1
1164 1215 1260 1300 1559 1600 МГц
Рис. 10.12. Частотный план систем GPS, ГЛОНАСС и Galileo

Система GPS используется 5 сигналов L₁  L₅ (в том числе L₃ и L₄ для военных пользователей и планируемый на 2010 г. сигнал L₅), система ГЛОНАСС – два сигнала G₁ и G₂, а система Galileo – 10 .

Встраивание в сигналы дополнительной информации (измерительных кодов, навигационных сообщений и пр.) выполняется путем их модуляции путем «переброски» фазы (метод ФМ) несущего сигнала на 180 в моменты, когда бинарный код 0 встраиваемого сигнала изменяется на 1 на 0 или с 0 на 1. В приемной аппаратуре эта допол­нительная информация выделяется из сигнала путем его демодуляции[29, 39].

Частотные характеристики сигналов спутников GPS, ГЛОНАСС и Galileo приведены в табл.10.4.

Разделение сигналов выполняется одним из двух методов:

• частотный (метод FDMA, Frequency Division Multiple Access), используется в системе ГЛОНАСС и предполагает установление для каждого спутника своей частоты;

• кодовый (метод CDMA, Code Division Multiple Access), используется в системах GPS и Galileo и позволяет выполнить разделение сигналов по встраиваемым в них псевдослучайным кодам.

В системе GPS все спутники передают навигационные сигналы на несущих частотах L₁ – L₅, сформированных путем умножения основной частоты эталонного генератора f₀=10,23 МГц на константы:

_.

Таблица 10.4
Параметр	Наименование ГНСС
	GPS	ГЛОНАСС	Galileo
Метод разделения	CDMA (кодовый)	FDMA (частотный)	CDMA (кодовый)
Рабочая частота сигнала, МГц	L1 1575,420 L2 1227,600 L5 1176,450	G1 1598,0625-1605,3750 G2 1242,9375-1245,6250	E2-L1-E1 1559 – 1592 E6 1260 – 1300 E5 1164 – 1215
Скорость передачи (GPS, Galileo – Мчип/c ГЛОНАСС – Мбит/c)	C/A 1,023 P 10,23	СТ 0,5110 ВТ 5,1100	E2-L1-E1 B/C 2 E6,E2-L1-E1 A 5 E5 10
Ширина полосы, МГц	C/A 2 P 20 L5 24	СТ 1 ВТ 10	E2-L1-E1 B/C 4 E6 24 E2-L1-E1 A 32 E5 40
Тип кода	C/A - код Голда P - ПСП	СТ - m-последовательность ВТ - ПСП	Нет данных
Длина кода	C/A 1023 P-код 61871041012 P 2,351014	СТ 511 ВТ 5,11106	Нет данных
Криптозащита	Есть	Нет	Планируется
Время	UTC (USNO)	UTC (SU)	GTC

Навигационные сигналы L₁ и L₂ модулируются бинарными псевдослучайными последовательностями (ПСП, Pseudo Random Noice - PRN), называемыми кодами C/A и P [5, 29, 39].

Код C/A, представляющий собой 10-разрядный код Голда, трактуется как грубый (Coarse Acquisition code) или гражданский (Civil Application), легко обнаруживается спутниковым приемником и используется как для идентификации спутника, так и для измерения дальностей. Он передается на частоте L₁ циклами по 1023 бита (f = 1,023 МГц) с длиной тактовой волны

_Т = c / f = 299742458 / (1,0231000000) = 293,0 м,

где c – скорость распространения радиоволн в вакууме.

Код P, представляющий собой бинарную псевдослучайную последовательность, трактуется как «точный» (Precision) или «защищенный» (Pro­tected), предназначен для военных приложений и передается на частотах L₁ и L₂ с частотой 10,23 МГц, что соответствует длине тактовой волны 29,3 м. С помощью нелинейной функции W(t) он преобразуется в Y-код (режим A/S – AntiSpoofing). Каждому спутнику соответствует свой код P, сменяемый каждую неделю, который доступен только военным пользователям, хотя некоторые спутниковые приемники могут его принимать.

Коды C/A и P передаются на частоте L₁ в квадратурах (т.е. их математические описания соответствует функциям sin и cos, и один сигнал сдвинут относительно другого по фазе на 90); на частоте L₂ передается только код P.

Навигационное сообщение передается с каждого спутника и вклю­чает его эфемериды, поправки к часам, параметры модели ионосферной задержки, альманах всех спутников группировки. Кроме того, оно содержит временные метки для моделирования хода часов спутника.

Информационные сообщения передаются пятью блоками по 1500 бит со скоростью 50 бит/с.

С хема получения радиосигналов GPS представлена на рис. 10.13.

В спутниках нового поколения Block IIR-M и Block IIF (табл. 10.2) предусмотрена передача нового сигнала на частоте L₅ с пониженными ионосферными задержками и усложненного L₂C на частоте L₂ с пониженным шумом и ослабленной многолучёвостью. Планируется, что все спутники системы GPS будут передавать названные коды с 2014 г. [52].

В системе ГЛОНАСС для каждого спутника установлена фиксированная частота (табл.10.4), по которой они и различаются. Поскольку для космических аппаратов, находящихся в противоположных точках орбитальной плоскости, допустимо излучение сигналов на одинаковых частотах, то можно обойтись 12 рабочими частотами в каждом из двух диапазонов. Разделение таких сигналов в приемнике выполняется за счет пространственной и доплеровской селекции.

Сигналы G₁ и G₂ формируются от эталонного генератора основной частоты и связаны с номерами спутников k следующими зависимостями:

_.

Сигнал G₁ модулируется кодами ВТ (высокой точности) и СТ (средней точности), а сигнал G₂ - только кодом ВТ, причем, код СТ представляют собой 9-разрядную m-последовательность, а код ВТ - псевдослучайную последовательность (табл. 10.4). Длина тактовой волны кода СТ равна 587 м, а кода ВТ – 58,7 м.

Для системы Galileo выделено 10 рабочих частот и сигналов в диапазонах, разделяемых по кодам (метод CDMA, табл. 10.4).

Из этих сигналов:

• три снабжены криптографической защитой и используются либо по подписке, либо для правительственной навигации в особый период;

• четыре не модулированы, не содержат информации и используются как пилот-сигналы в специальной аппаратуре для высокоточного позиционирования по фазе несущей;

• три содержат навигационные сообщения, передаваемые со скоростью 25, 125 и 500 бит/с;

• все информативные сигналы кодируются избыточным кодом.

При разработке СНС Galileo требование ее совместимости с GPS достигнуто путем использования сигналов с разной кодовой структурой, работающих в перекрывающихся диапазонах. Причем совместное использование совпадающих сигналов на некоторых частотах, уменьшает помехи для гражданских сигналов, излучаемых на одной несущей частоте.