GPS-сигналы

Сигналы, передаваемые спутниками GPS

Художественное представление спутника GPS Block II-F на околоземной орбите

Гражданский GPS-приемник (« навигационное устройство GPS ») в морском применении

Сигналы GPS передаются спутниками Глобальной системы позиционирования для обеспечения спутниковой навигации . Приемники на поверхности Земли или вблизи нее могут определять местоположение, время и скорость, используя эту информацию. Спутниковая группировка GPS управляется 2-й эскадрильей космических операций (2SOPS) Space Delta 8 , Космических сил США .

Сигналы GPS включают сигналы дальности, которые используются для измерения расстояния до спутника, и навигационные сообщения. Навигационные сообщения включают данные эфемерид , которые используются как в трилатерации для расчета положения каждого спутника на орбите, так и для предоставления информации о времени и состоянии всей спутниковой группировки, называемой альманахом .

Существует четыре спецификации сигнала GPS, предназначенных для гражданского использования. В порядке даты введения это: L1 C/A, L2C, L5 и L1C. ^[1] L1 C/A также называется устаревшим сигналом и транслируется всеми действующими в настоящее время спутниками. L2C, L5 и L1C являются модернизированными сигналами и транслируются только более новыми спутниками (или пока не транслируются вообще). Кроме того, по состоянию на январь 2021 года ^[update]ни один из этих трех сигналов еще не считается полностью работоспособным для гражданского использования. В дополнение к четырем вышеупомянутым сигналам существуют ограниченные сигналы с опубликованными частотами и скоростями чипов , но сигналы используют зашифрованное кодирование, ограничивая использование авторизованными сторонами. Некоторое ограниченное использование ограниченных сигналов все еще может осуществляться гражданскими лицами без расшифровки; это называется бескодовым и полубескодовым доступом, и это официально поддерживается. ^{[2] [3]}

Интерфейс к пользовательскому сегменту ( приемники GPS ) описан в документах по контролю интерфейса (ICD). Формат гражданских сигналов описан в спецификации интерфейса (IS), которая является подмножеством ICD.

Общие характеристики

Спутники GPS (называемые космическими аппаратами в документах спецификации интерфейса GPS) передают одновременно несколько дальномерных кодов и навигационных данных с использованием двоичной фазовой манипуляции (BPSK). Используется только ограниченное количество центральных частот. Спутники, использующие одну и ту же частоту, различаются использованием разных дальномерных кодов. Другими словами, GPS использует множественный доступ с кодовым разделением . Дальномерные коды также называются чиповыми кодами (в отношении CDMA/ DSSS ), псевдослучайным шумом и псевдослучайными двоичными последовательностями (в отношении того факта, что последовательности предсказуемы, но статистически напоминают шум).

Некоторые спутники передают несколько потоков BPSK на одной и той же частоте в квадратуре, в форме квадратурной амплитудной модуляции . Однако, в отличие от типичных систем QAM, где один поток битов разделяется на два потока битов с половинной скоростью символов для повышения спектральной эффективности , синфазные и квадратурные компоненты сигналов GPS модулируются отдельными (но функционально связанными) потоками битов.

Спутники однозначно идентифицируются серийным номером, называемым номером космического аппарата (SVN), который не меняется в течение срока службы. Кроме того, все работающие спутники нумеруются идентификатором космического аппарата (SV ID) и псевдослучайным шумовым номером (PRN number), который однозначно идентифицирует коды дальности, используемые спутником. Существует фиксированное соответствие один к одному между идентификаторами SV и номерами PRN, описанное в спецификации интерфейса. ^[4] В отличие от SVN, номер SV ID/PRN спутника может быть изменен (что приводит к изменению кодов дальности, которые он использует). То есть, никакие два активных спутника не могут совместно использовать один активный номер SV ID/PRN. Текущие номера SVN и PRN для созвездия GPS опубликованы в NAVCEN.

Устаревшие сигналы GPS

Первоначальная конструкция GPS содержит два дальномерных кода: код грубой/обнаружительной точности (C/A), который находится в свободном доступе для общественности, и код ограниченной точности (P), обычно зарезервированный для военных целей.

Информация о частоте

Сигнал вещания GPS

Для того, чтобы дальномерные коды и навигационное сообщение передавались со спутника на приемник, они должны быть модулированы на несущей волне . В случае оригинальной конструкции GPS используются две частоты: одна на 1575,42  МГц (10,23 МГц × 154), называемая L1; и вторая на 1227,60 МГц (10,23 МГц × 120), называемая L2.

Код C/A передается на частоте L1 как сигнал 1,023 МГц с использованием техники модуляции с двухфазной манипуляцией ( BPSK ). Код P(Y) передается на частотах L1 и L2 как сигнал 10,23 МГц с использованием той же модуляции BPSK, однако несущая кода P(Y) находится в квадратуре с несущей C/A (то есть на 90° не совпадает по фазе ).

Помимо избыточности и повышенной устойчивости к помехам, критическим преимуществом наличия двух частот, передаваемых с одного спутника, является возможность непосредственного измерения и, следовательно, устранения ошибки ионосферной задержки для этого спутника. Без такого измерения приемник GPS должен использовать общую модель или получать ионосферные поправки из другого источника (например, Wide Area Augmentation System или WAAS ). Достижения в технологии, используемой как на спутниках GPS, так и на приемниках GPS, сделали ионосферную задержку крупнейшим оставшимся источником ошибки в сигнале. Приемник, способный выполнять это измерение, может быть значительно более точным и обычно называется двухчастотным приемником .

Коды модуляции

Грубый/приобретающий код

Коды C/A PRN являются золотыми кодами с периодом 1023 чипа, передаваемыми со скоростью 1,023 Мчипа/с, что приводит к повторению кода каждую 1 миллисекунду. Они подвергаются операции «исключающее ИЛИ» с навигационным сообщением 50 бит/с, а результирующая фаза модулирует несущую, как описано ранее. Эти коды совпадают или сильно автокоррелируют только тогда, когда они почти точно выровнены. Каждый спутник использует уникальный код PRN, который плохо коррелирует с кодом PRN любого другого спутника. Другими словами, коды PRN в высокой степени ортогональны друг другу. Период 1 мс кода C/A соответствует расстоянию 299,8 км, а каждый чип соответствует расстоянию 293 м. Приемники отслеживают эти коды с точностью до одного чипа, поэтому ошибки измерения значительно меньше 293 м. ^{[ на сколько? ]}

Коды C/A генерируются путем объединения (используя "исключающее ИЛИ") двух потоков битов, каждый из которых генерируется двумя различными максимальными периодами 10 -каскадных линейных регистров сдвига с обратной связью (LFSR). Различные коды получаются путем выборочной задержки одного из этих потоков битов. Таким образом:

C/A _i ( t ) = A ( t ) ⊕ B ( t - D _i )

где:

C/A _i — это код с номером PRN i .

A — выход первого LFSR, полином генератора которого равен x → x ¹⁰ + x ³ + 1, а начальное состояние равно 1111111111 ₂ .

B — выход второго LFSR, полином генератора которого равен x → x ¹⁰ + x ⁹ + x ⁸ + x ⁶ + x ³ + x ² + 1, а начальное состояние также равно 1111111111 ₂ .

D _i — задержка (на целое число периодов), специфичная для каждого номера PRN i ; она обозначена в спецификации интерфейса GPS. ^[4]

⊕ — исключающее ИЛИ.

Аргументами функций в них являются количество бит или чипов с момента их эпох, начиная с 0. Эпоха LFSR — это точка, в которой они находятся в начальном состоянии; а для общих кодов C/A — это начало любой секунды UTC плюс любое целое число миллисекунд. Выход LFSR при отрицательных аргументах определяется в соответствии с периодом, который составляет 1023 чипа (это положение необходимо, поскольку B может иметь отрицательный аргумент, используя приведенное выше уравнение).

Задержка для номеров PRN 34 и 37 одинакова; поэтому их коды C/A идентичны и не передаются одновременно ^[5] (это может сделать один или оба этих сигнала непригодными для использования из-за взаимных помех в зависимости от относительных уровней мощности, принимаемых каждым приемником GPS).

Код точности

P-код представляет собой последовательность PRN, намного длиннее кода C/A: 6,187104 x 10 ¹² чипов. Несмотря на то, что скорость чипа P-кода (10,23 Мчип/с) в десять раз больше, чем у кода C/A, он повторяется только один раз в неделю, что исключает неоднозначность дальности. Предполагалось, что приемники не могут напрямую получить такой длинный и быстрый код, поэтому они сначала «загружаются» с помощью кода C/A, чтобы получить эфемериды космического корабля , произвести приблизительное определение времени и местоположения, а затем получить P-код для уточнения определения.

В то время как C/A PRN уникальны для каждого спутника, каждый спутник передает другой сегмент основной последовательности P-кода длиной приблизительно 2,35 x 10 ¹⁴ чипов (235 000 000 000 000 чипов). Каждый спутник многократно передает свой назначенный сегмент основного кода, перезапускаясь каждое воскресенье в 00:00:00 по времени GPS. Для справки, эпоха GPS была в воскресенье 6 января 1980 года в 00:00:00 по UTC, но GPS не следует UTC точно, потому что время GPS не включает високосные секунды. Таким образом, время GPS опережает UTC на целое (целое) число секунд.

Код P является общедоступным, поэтому для предотвращения его использования или потенциального вмешательства в него со стороны неавторизованных пользователей посредством спуфинга , P-код подвергается операции XOR с W-кодом , криптографически сгенерированной последовательностью, для получения Y-кода . Y-код — это то, что спутники передают с момента включения модуля антиспуфинга . Зашифрованный сигнал называется P(Y)-кодом .

Подробности W-кода засекречены, но известно, что он применяется к P-коду примерно на частоте 500 кГц ^[6] , что примерно в 20 раз медленнее частоты чипа P-кода. Это привело к полукодовым подходам к отслеживанию сигнала P(Y) без знания W-кода.

Навигационное сообщение

В дополнение к кодам дальности PRN, приемник должен знать время и положение каждого активного спутника. GPS кодирует эту информацию в навигационное сообщение и модулирует ее в коды дальности C/A и P(Y) со скоростью 50 бит/с. Формат навигационного сообщения, описанный в этом разделе, называется данными LNAV (для устаревшей навигации ).

Навигационное сообщение передает информацию трех типов:

• Дата и время GPS, а также статус спутника.
• Эфемериды : точная орбитальная информация для передающего спутника .
• Альманах: статус и орбитальная информация низкого разрешения для каждого спутника.

Эфемерида действительна только в течение четырех часов, в то время как альманах действителен — с небольшим снижением точности — до двух недель. ^[7] Приемник использует альманах для получения набора спутников на основе сохраненного времени и местоположения. Когда приемник получает каждый спутник, эфемерида каждого спутника декодируется, так что спутник может быть использован для навигации.

Навигационное сообщение состоит из 30-секундных кадров длиной 1500 бит, разделенных на пять 6-секундных подкадров по десять 30-битных слов каждый. Каждый подкадр имеет время GPS с шагом 6 секунд. Подкадр 1 содержит дату GPS (номер недели), информацию о коррекции часов спутника, статусе спутника и состоянии спутника. Подкадры 2 и 3 вместе содержат данные эфемерид передающего спутника. Подкадры 4 и 5 содержат страницы с 1 по 25 из 25-страничного альманаха. Альманах имеет длину 15 000 бит и его передача занимает 12,5 минут.

Кадр начинается в начале недели GPS и каждые 30 секунд после этого. Каждая неделя начинается с передачи страницы альманаха 1. ^[8]

Существует два типа навигационных сообщений: LNAV-L используется спутниками с номерами PRN от 1 до 32 (называются нижними номерами PRN ), а LNAV-U используется спутниками с номерами PRN от 33 до 63 (называются верхними номерами PRN ). ^[9] Оба типа используют очень похожие форматы. Подкадры с 1 по 3 одинаковы, ^[10] а подкадры 4 и 5 почти одинаковы. Каждый тип сообщения содержит данные альманаха для всех спутников, использующих один и тот же тип навигационного сообщения, но не другой.

Каждый подкадр начинается с Telemetry Word (TLM), который позволяет приемнику обнаружить начало подкадра и определить время часов приемника, с которого начинается навигационный подкадр. Далее следует handover word (HOW), дающее время GPS (как время, когда будет передан первый бит следующего подкадра) и идентифицирующее конкретный подкадр в полном кадре. ^{[11] [12]} Остальные восемь слов подкадра содержат фактические данные, специфичные для этого подкадра. Каждое слово включает 6 бит четности, сгенерированных с использованием алгоритма на основе кодов Хэмминга, которые учитывают 24 бита нечетности этого слова и последние 2 бита предыдущего слова.

После того, как подкадр был прочитан и интерпретирован, время отправки следующего подкадра может быть рассчитано с использованием данных коррекции часов и HOW. Приемник знает время часов приемника, когда было получено начало следующего подкадра, из обнаружения слова телеметрии, тем самым позволяя вычислить время прохождения и, следовательно, псевдодальность.

Время

Время GPS выражается с разрешением 1,5 секунды как номер недели и время отсчета недели (TOW). ^[13] Его нулевая точка (неделя 0, TOW 0) определяется как 1980-01-06T00:00Z. Счетчик TOW представляет собой значение в диапазоне от 0 до 403 199, значение которого представляет собой количество периодов по 1,5 секунды, прошедших с начала недели GPS. Таким образом, для выражения счета TOW требуется 19 бит (2 ¹⁹  = 524 288). Время GPS представляет собой непрерывную шкалу времени, в том смысле, что оно не включает високосные секунды; поэтому начало/конец недель GPS может отличаться от соответствующего дня UTC на целое (целое) число секунд.

В каждом подкадре каждое слово передачи (HOW) содержит 17 наиболее значимых бит счетчика TOW, соответствующих началу следующего подкадра. ^[14] Обратите внимание, что 2 наименее значимых бита можно безопасно опустить, поскольку один HOW встречается в навигационном сообщении каждые 6 секунд, что равно разрешению усеченного счетчика TOW. Эквивалентно, усеченный счетчик TOW представляет собой продолжительность времени с начала/конца последней недели GPS до начала следующего кадра в единицах по 6 секунд.

Каждый кадр содержит (в подкадре 1) 10 наименее значимых бит соответствующего номера недели GPS. ^[15] Обратите внимание, что каждый кадр полностью находится в пределах одной недели GPS, поскольку кадры GPS не пересекают границы недель GPS. ^[16] Поскольку смена происходит каждые 1024 недели GPS (приблизительно каждые 19,6 лет; 1024 — это 2 ¹⁰ ), приемник, который вычисляет текущие календарные даты, должен вывести верхние биты номера недели или получить их из другого источника. Один из возможных методов заключается в том, чтобы приемник сохранял свою текущую дату в памяти при выключении, а при включении предполагал, что вновь декодированный усеченный номер недели соответствует периоду в 1024 недели, который начинается с последней сохраненной даты. Этот метод правильно выводит полный номер недели, если приемник никогда не остается выключенным (или без определения времени и местоположения) более 1024 недель (~19,6 лет).

Альманах

Альманах состоит из грубой информации об орбите и статусе для каждого спутника в созвездии, ионосферной модели и информации для соотнесения времени, полученного с помощью GPS, с всемирным координированным временем (UTC). Каждый кадр содержит часть альманаха (в подкадрах 4 и 5), а полный альманах передается каждым спутником в 25 кадрах в общей сложности (требуется 12,5 минут). ^[17] Альманах служит нескольким целям. Первая — помощь в обнаружении спутников при включении питания, позволяя приемнику генерировать список видимых спутников на основе сохраненного положения и времени, в то время как эфемериды с каждого спутника необходимы для вычисления определения местоположения с использованием этого спутника. В старом оборудовании отсутствие альманаха в новом приемнике приводило к длительным задержкам перед предоставлением действительного положения, поскольку поиск каждого спутника был медленным процессом. Достижения в области оборудования значительно ускорили процесс обнаружения, поэтому отсутствие альманаха больше не является проблемой. Вторая цель — соотнести время, полученное от GPS (называемое временем GPS), с международным стандартом времени UTC . Наконец, альманах позволяет одночастотному приемнику корректировать ошибку ионосферной задержки , используя глобальную ионосферную модель. Поправки не такие точные, как у систем дополнения GNSS, таких как WAAS или двухчастотных приемников. Однако это часто лучше, чем отсутствие коррекции, поскольку ионосферная ошибка является крупнейшим источником ошибок для одночастотного приемника GPS.

Структура подрамников 4 и 5

Обновления данных

Спутниковые данные обычно обновляются каждые 24 часа, при этом загружаются данные за период до 60 дней на случай сбоя в возможности регулярного обновления. Обычно обновления содержат новые эфемериды, а новые альманахи загружаются реже. Сегмент управления гарантирует, что во время нормальной работы новый альманах будет загружаться не реже одного раза в 6 дней.

Спутники передают новые эфемериды каждые два часа. Эфемериды обычно действительны в течение 4 часов, с возможностью обновления каждые 4 часа или дольше в нештатных условиях. Время, необходимое для получения эфемерид, становится существенным элементом задержки первого определения местоположения, поскольку по мере того, как аппаратное обеспечение приемника становится более производительным, время захвата спутниковых сигналов сокращается; однако данные эфемерид требуют от 18 до 36 секунд, прежде чем они будут получены, из-за низкой скорости передачи данных.

Модернизация и дополнительные сигналы GPS

Достигнув полной эксплуатационной готовности 17 июля 1995 года ^[20], система GPS завершила свои первоначальные проектные цели. Однако дополнительные достижения в области технологий и новые требования к существующей системе привели к попыткам «модернизировать» систему GPS. Заявления вице-президента и Белого дома в 1998 году возвестили о начале этих изменений, а в 2000 году Конгресс США подтвердил усилия, названные GPS III .

Проект включает новые наземные станции и новые спутники с дополнительными навигационными сигналами для гражданских и военных пользователей. Он направлен на повышение точности и доступности для всех пользователей. Была установлена ​​цель внедрения в 2013 году, и подрядчикам были предложены поощрения, если они смогут завершить ее к 2011 году.

Общие характеристики

Наглядный пример созвездия GPS в движении с вращением Земли. Обратите внимание, как количество спутников в поле зрения из заданной точки на поверхности Земли, в этом примере на 45°N, меняется со временем.

Модернизированные гражданские сигналы GPS имеют два общих усовершенствования по сравнению со своими устаревшими аналогами: помощь в обнаружении без данных и кодирование навигационного сообщения с прямой коррекцией ошибок (FEC).

Средство получения данных без данных — это дополнительный сигнал, в некоторых случаях называемый пилотным носителем, который передается вместе с сигналом данных. Этот сигнал без данных разработан так, чтобы его было легче получить, чем закодированные данные, и после успешного получения его можно использовать для получения сигнала данных. Эта технология улучшает получение сигнала GPS и повышает уровни мощности на корреляторе.

Второе усовершенствование заключается в использовании кодирования прямого исправления ошибок (FEC) в самом сообщении NAV. Из-за относительно низкой скорости передачи данных NAV (обычно 50 бит в секунду) небольшие прерывания могут иметь потенциально большие последствия. Таким образом, FEC в сообщении NAV является значительным улучшением общей надежности сигнала.

L2C

Одним из первых объявлений было добавление нового гражданского сигнала, который будет передаваться на частоте, отличной от частоты L1, используемой для грубого/приемного сигнала (C/A). В конечном итоге это стало сигналом L2C, так называемым, потому что он транслируется на частоте L2. Поскольку для этого требуется новое оборудование на борту спутника, он передается только так называемыми спутниками Block IIR-M и более поздними разработками. Сигнал L2C призван повышать точность навигации, обеспечивать легко отслеживаемый сигнал и действовать как резервный сигнал в случае локализованных помех. Сигналы L2C транслируются с апреля 2014 года на спутниках, способных его транслировать, но все еще считаются предэксплуатационными. ^[1] По состоянию на январь 2021 года ^[update]L2C транслируется на 23 спутниках и, как ожидается, на 24 спутниках к 2023 году. ^[1]

В отличие от кода C/A, L2C содержит две различные последовательности кода PRN для предоставления информации о дальности: гражданский-умеренный код (называемый CM) и гражданский-длинный код (называемый CL). Код CM имеет длину 10 230 чипов, повторяющихся каждые 20 мс. Код CL имеет длину 767 250 чипов, повторяющихся каждые 1500 мс. Каждый сигнал передается со скоростью 511 500 чипов в секунду ( чип/с ); однако они мультиплексируются вместе, образуя сигнал со скоростью 1 023 000 чипов/с.

CM модулируется с помощью навигационного сообщения CNAV (см. ниже), тогда как CL не содержит никаких модулированных данных и называется последовательностью без данных . Длинная последовательность без данных обеспечивает примерно на 24 дБ большую корреляцию (~ в 250 раз сильнее), чем L1 C/A-код.

По сравнению с сигналом C/A, L2C обеспечивает на 2,7 дБ лучшее восстановление данных и на 0,7 дБ лучшее отслеживание несущей, хотя его мощность передачи на 2,3 дБ слабее.

Текущее состояние сигнала L2C по состоянию на 3 июля 2023 года ^[21] следующее:

• Предварительный сигнал с сообщением «здорово»
• Трансляция с 25 спутников GPS (по состоянию на 3 июля 2023 г.)
• Запуск начался в 2005 году с GPS Block IIR-M
• Доступно на 24 спутниках GPS с возможностью управления наземным сегментом к 2023 году (по состоянию на январь 2020 года)

Коды CM и CL

Коды гражданского-умеренного и гражданского-дальнего диапазона генерируются модульным LFSR , который периодически сбрасывается в предопределенное начальное состояние. Период CM и CL определяется этим сбросом, а не естественным периодом LFSR (как в случае с кодом C/A). Начальные состояния обозначены в спецификации интерфейса и различны для разных номеров PRN и для CM/CL. Полином обратной связи/маска одинаковы для CM и CL. Таким образом, коды диапазона задаются следующим образом:

CM _i ( t ) = A ( X _i , t mod 10 230)

CL _i ( t ) = A ( Y _i , t mod 767 250)

где:

CM _i и CL _i — это коды дальности для PRN с номером i, а их аргументы — это целое число прошедших чипов (начиная с 0) с начала/конца недели GPS или, что эквивалентно, с начала отсчета шкалы времени GPS (см. § Время).

A ( x , t ) — выходной сигнал LFSR при инициализации с начальным состоянием x после тактирования t раз.

X _i и Y _i — начальные состояния для CM и CL соответственно. для номера PRN . ${\displaystyle i}$

mod — остаток от деления.

t — целое число периодов чипа CM и CL с начала отсчета времени GPS или, что эквивалентно, с любой секунды GPS (начиная с 0).

Начальные состояния описаны в спецификации интерфейса GPS как числа, выраженные в восьмеричной системе счисления, согласно соглашению, что состояние LFSR интерпретируется как двоичное представление числа, где выходной бит является наименее значимым битом, а бит, в который вставляются новые биты, является наиболее значимым битом. Используя это соглашение, LFSR смещается от наиболее значимого бита к наименее значимому биту, а при просмотре в порядке big endian он смещается вправо. Состояния, называемые конечным состоянием в IS, получаются после10 229 циклов для CM и после767 249 циклов для LM (непосредственно перед сбросом в обоих случаях).

Навигационное сообщение CNAV

Данные CNAV представляют собой обновленную версию исходного навигационного сообщения NAV. Они содержат более точное представление и номинально более точные данные, чем данные NAV. Тот же тип информации (время, статус, эфемериды и альманах) по-прежнему передается с использованием нового формата CNAV; однако вместо использования архитектуры кадра/подкадра он использует новый псевдопакетированный формат, состоящий из 12-секундных 300-битных сообщений, аналогичных кадрам LNAV. В то время как кадры LNAV имеют фиксированное информационное содержимое, сообщения CNAV могут быть одного из нескольких определенных типов. Тип кадра определяет его информационное содержимое. Сообщения не следуют фиксированному графику относительно того, какие типы сообщений будут использоваться, что дает сегменту управления некоторую универсальность. Однако для некоторых типов сообщений существуют нижние границы частоты их передачи.

В CNAV по крайней мере 1 из каждых 4 пакетов являются данными эфемерид, и та же нижняя граница применяется к пакетам данных часов. ^[25] Конструкция позволяет передавать широкий спектр типов пакетов. При наличии созвездия из 32 спутников и текущих требованиях к тому, что необходимо отправлять, используется менее 75% полосы пропускания. Определена лишь небольшая часть доступных типов пакетов; это позволяет системе расти и внедрять усовершенствования без нарушения совместимости.

В новом сообщении CNAV есть много важных изменений:

• Он использует прямую коррекцию ошибок (FEC), обеспечиваемую сверточным кодом со скоростью 1/2 , поэтому, хотя навигационное сообщение имеет скорость 25 бит/с, передается сигнал со скоростью 50 бит/с.
• Сообщения содержат 24-битный CRC , по которому можно проверить целостность.
• Номер недели GPS теперь представлен в виде 13 бит, или 8192 недель, и повторяется только каждые 157,0 лет, то есть следующий возврат к нулю произойдет не ранее 2137 года. Это больше по сравнению с использованием 10-битного номера недели в сообщении L1 NAV, который возвращается к нулю каждые 19,6 лет.
• Есть пакет, который содержит смещение времени GPS-GNSS. Это обеспечивает лучшую совместимость с другими глобальными системами передачи времени, такими как Galileo и GLONASS , обе из которых поддерживаются.
• Дополнительная полоса пропускания позволяет включить пакет для дифференциальной коррекции, который можно использовать аналогично спутниковым системам дополнения и который можно использовать для коррекции данных часов L1 NAV.
• Каждый пакет содержит флаг оповещения, который устанавливается, если спутниковым данным нельзя доверять. Это означает, что пользователи узнают в течение 12 секунд, если спутник больше не пригоден для использования. Такое быстрое уведомление важно для приложений безопасности жизни, таких как авиация.
• Наконец, система рассчитана на поддержку 63 спутников по сравнению с 32 в сообщении L1 NAV.

Сообщения CNAV начинаются и заканчиваются в начале/конце недели GPS плюс целое число, кратное 12 секундам. ^[26] В частности, начало первого бита (с уже примененным сверточным кодированием), содержащего информацию о сообщении, соответствует вышеупомянутой синхронизации. Сообщения CNAV начинаются с 8-битной преамбулы, которая представляет собой фиксированный битовый шаблон и цель которого — дать возможность приемнику обнаружить начало сообщения.

Код прямого исправления ошибок

Сверточный код , используемый для кодирования CNAV, описывается следующим образом:

${\displaystyle {\begin{aligned}X_{1}(t)&=d(t)\oplus d(t-2)\oplus d(t-3)\oplus d(t-5)\oplus d(t-6)\\X_{2}(t)&=d(t)\oplus d(t-1)\oplus d(t-2)\oplus d(t-3)\oplus d(t-6)\\d'(t')&={\begin{cases}X_{1}\left({\frac {t'}{2}}\right)&{\text{if }}t'\equiv 0{\pmod {2}}\\X_{2}\left({\frac {t'-1}{2}}\right)&{\text{if }}t'\equiv 1{\pmod {2}}\\\end{cases}}\end{aligned}}}$

где:

${\displaystyle X_{1}}$и являются неупорядоченными выходами сверточного кодера ${\displaystyle X_{2}}$

${\displaystyle d}$— это необработанные (не закодированные FEC) навигационные данные, состоящие из простой конкатенации 300-битных сообщений.

${\displaystyle t}$— целое число битов навигационных данных , не закодированных с помощью FEC, прошедших с произвольного момента времени (начиная с 0).

${\displaystyle d'}$представляет собой навигационные данные, закодированные с помощью FEC.

${\displaystyle t'}$представляет собой целое число битов навигационных данных , закодированных с помощью FEC, прошедших с той же эпохи (также начиная с 0). ${\displaystyle t}$

Поскольку поток битов, закодированных с помощью FEC, работает в 2 раза быстрее, чем поток битов, не закодированных с помощью FEC, как уже было описано, то . Кодирование FEC выполняется независимо от границ навигационного сообщения; ^[27] это следует из приведенных выше уравнений. ${\displaystyle t=\left\lfloor {\tfrac {t'}{2}}\right\rfloor }$

Информация о частоте L2C

Непосредственным эффектом передачи двух гражданских частот является то, что гражданские приемники теперь могут напрямую измерять ионосферную ошибку таким же образом, как и двухчастотные приемники кода P(Y). Однако пользователи, использующие только сигнал L2C, могут ожидать на 65% больше неопределенности положения из-за ионосферной ошибки, чем при использовании только сигнала L1. ^[28]

Военный (код M)

Важным компонентом процесса модернизации является новый военный сигнал. Названный Военным кодом или М-кодом, он был разработан для дальнейшего улучшения помехоустойчивости и безопасного доступа к военным сигналам GPS.

Очень мало было опубликовано об этом новом, ограниченном коде. Он содержит код PRN неизвестной длины, передаваемый на частоте 5,115 МГц. В отличие от P(Y)-кода, M-код разработан как автономный, что означает, что пользователь может вычислить свое положение, используя только сигнал M-кода. Исходя из оригинальной конструкции P(Y)-кода, пользователи должны были сначала захватить код C/A, а затем перенести блокировку на P(Y)-код. Позже были разработаны методы прямого захвата, которые позволили некоторым пользователям работать автономно с P(Y)-кодом.

Навигационное сообщение MNAV

Немного больше известно о новом навигационном сообщении, которое называется MNAV . Подобно новому CNAV, этот новый MNAV пакетируется, а не кадрируется, что позволяет использовать очень гибкие полезные данные. Также, как и CNAV, он может использовать прямое исправление ошибок (FEC) и расширенное обнаружение ошибок (например, CRC ).

Информация о частоте М-кода

M-код передается на тех же частотах L1 и L2, которые уже использовались предыдущим военным кодом, P(Y)-кодом. Новый сигнал сформирован так, чтобы разместить большую часть своей энергии на краях (вдали от существующих носителей P(Y) и C/A). Он не работает на каждом спутнике, и M-код был отключен для SVN62/PRN25 5 апреля 2011 года. ^[29]

В качестве существенного отхода от предыдущих разработок GPS, M-код предназначен для трансляции с направленной антенны с высоким коэффициентом усиления, в дополнение к антенне полной Земли. Сигнал этой направленной антенны, называемый точечным лучом, предназначен для направления на определенный регион (несколько сотен километров в диаметре) и увеличения локальной мощности сигнала на 20 дБ, или примерно в 100 раз сильнее. Побочным эффектом наличия двух антенн является то, что спутник GPS будет казаться двумя спутниками GPS, занимающими то же положение, что и те, которые находятся внутри точечного луча. В то время как сигнал M-кода всей Земли доступен на спутниках Block IIR-M, антенны точечного луча не будут развернуты до тех пор, пока не будут развернуты спутники Block III , что началось в декабре 2018 года.

Интересным побочным эффектом передачи каждым спутником четырех отдельных сигналов является то, что MNAV потенциально может передавать четыре различных канала данных, обеспечивая увеличенную пропускную способность данных.

Метод модуляции — двоичный смещенный несущий , использующий поднесущую 10,23 МГц против кода 5,115 МГц. Этот сигнал будет иметь общую полосу пропускания приблизительно 24 МГц, со значительно разделенными боковыми полосами. Боковые полосы могут использоваться для улучшения приема сигнала.

Л5

Сигнал L5 обеспечивает средства радионавигации, безопасные и достаточно надежные для критически важных для жизни приложений, таких как точное наведение на посадку самолета. Сигнал транслируется в полосе частот, защищенной МСЭ для служб воздушной радионавигации . Впервые он был продемонстрирован со спутника USA-203 (блок IIR-M) и доступен на всех спутниках GPS IIF и GPS III . Сигналы L5 транслируются с апреля 2014 года на спутниках, которые его поддерживают. ^[1]

Статус сигнала L5 по состоянию на 3 июля 2023 года ^[update] : ^[30]

• Предварительный сигнал с сообщением «нездорово» до тех пор, пока не будут установлены достаточные возможности мониторинга
• Трансляция с 18 спутников GPS
• Планируется, что данные будут доступны на 24 спутниках GPS примерно к 2027 году.

Диапазон L5 обеспечивает дополнительную надежность в виде подавления помех, диапазон защищен на международном уровне, избыточность с существующими диапазонами, геостационарное спутниковое усиление и наземное усиление. Дополнительная надежность этого диапазона также приносит пользу наземным приложениям. ^[31]

Два кода дальности PRN передаются на L5 в квадратуре: синфазный код (называемый I5-кодом ) и квадратурно-фазовый код (называемый Q5-кодом ). Оба кода имеют длину 10 230 чипов, передаются со скоростью 10,23 Мчипа/с (период повторения 1 мс) и генерируются идентично (отличаясь только в начальных состояниях). Затем I5 модулируется (исключающим ИЛИ) навигационными данными (называемыми L5 CNAV) и 10-битным кодом Неймана-Хофмана, тактируемым на частоте 1 кГц. Аналогично затем модулируется Q5-код, но только 20-битным кодом Неймана-Хофмана, который также тактируется на частоте 1 кГц.

По сравнению с L1 C/A и L2, вот некоторые изменения в L5:

• Улучшенная структура сигнала для повышения производительности
• Более высокая передаваемая мощность, чем сигнал L1/L2 (~3 дБ или в 2 раза мощнее)
• Более широкая полоса пропускания обеспечивает 10-кратный выигрыш в обработке , обеспечивает более четкую автокорреляцию (в абсолютном выражении, а не относительно длительности чипа) и требует более высокой частоты дискретизации на приемнике.
• Более длинные коды распространения (в 10 раз длиннее, чем C/A)
• Использует диапазон Авиационной радионавигационной службы

Коды I5 и Q5

Код I5 и код Q5 генерируются с использованием одной и той же структуры, но с разными параметрами. Эти коды являются комбинацией (исключающим ИЛИ) выходных данных двух различных линейных регистров сдвига с обратной связью (LFSR), которые выборочно сбрасываются.

5 _i ( t ) = U ( t ) ⊕ V _i ( t )

U ( t ) = XA (( t mod 10 230) mod 8 190)

V _i ( t ) = XB _i ( X _i , t mod 10 230)

где:

i — упорядоченная пара ( P , n ), где P ∈ {I, Q} для синфазного и квадратурного сигналов, а n — номер PRN; для сигнала L5 с одного спутника требуются обе фазы и один PRN.

5 _i — это дальномерные коды для i ; также обозначаются как I5 _n и Q5 _n .

U и V _i — промежуточные коды, причем U не зависит от фазы или PRN.

Используется выход двух 13-каскадных LFSR с тактовым состоянием t' :

XA ( x , t' ) имеет полином обратной связи x ¹³ + x ¹² + x ¹⁰ + x ⁹ + 1 и начальное состояние 11111111111111 ₂ .

XB _i ( x , t' ) имеет полином обратной связи x ¹³ + x ¹² + x ⁸ + x ⁷ + x ⁶ + x ⁴ + x ³ + x + 1 и начальное состояние X _i .

X _i — начальное состояние, заданное для фазы и номера PRN, заданного i (обозначенного в ИС ^[32] ).

t — целое число периодов чипа с момента начала отсчета времени GPS или, что эквивалентно, с любой секунды GPS (начиная с 0).

A и B — это LFSR максимальной длины. Операции по модулю соответствуют сбросам. Обратите внимание, что обе сбрасываются каждую миллисекунду (синхронизировано с эпохами кода C/A). Кроме того, дополнительная операция по модулю в описании A обусловлена ​​тем, что она сбрасывается на 1 цикл до своего естественного периода (который равен 8 191), так что следующее повторение смещается на 1 цикл относительно B ^[33] (в противном случае, поскольку обе последовательности будут повторяться, I5 и Q5 также будут повторяться в течение любого периода в 1 мс, ухудшая характеристики корреляции).

Навигационное сообщение L5

Данные L5 CNAV включают эфемериды SV, системное время, данные о поведении часов SV, сообщения о состоянии и информацию о времени и т. д. Данные 50 бит/с кодируются в сверточном кодере со скоростью 1/2. Результирующий поток символов 100 символов в секунду (sps) добавляется по модулю 2 только к коду I5; результирующая битовая последовательность используется для модуляции синфазной несущей L5 (I5). Этот объединенный сигнал называется сигналом данных L5. Квадратурно-фазовая несущая L5 (Q5) не содержит данных и называется пилотным сигналом L5. Формат, используемый для L5 CNAV, очень похож на формат L2 CNAV. Одно отличие состоит в том, что он использует в 2 раза большую скорость передачи данных. Битовые поля в каждом сообщении, ^[34] типы сообщений и алгоритм кода прямой коррекции ошибок такие же, как и в L2 CNAV. Сообщения L5 CNAV начинаются и заканчиваются в начале/конце недели GPS плюс целое число, кратное 6 секундам (это относится к началу первого бита, содержащего информацию о сообщении, как в случае с L2 CNAV). ^[35]

Информация о частоте L5

Трансляция на частоте L5 (1176,45 МГц, 10,23 МГц × 115), которая является полосой аэронавигационной связи. Частота была выбрана таким образом, чтобы авиационное сообщество могло управлять помехами на L5 более эффективно, чем на L2. ^[35]

L1C

L1C — это гражданский сигнал, который будет транслироваться на частоте L1 (1575,42 МГц), которая содержит сигнал C/A, используемый всеми текущими пользователями GPS. Сигналы L1C будут транслироваться со спутников GPS III и более поздних, первый из которых был запущен в декабре 2018 года. ^[1] По состоянию на январь 2021 года ^[update]сигналы L1C еще не транслируются, и только четыре действующих спутника способны их транслировать. Ожидается, что L1C будет транслироваться на 24 спутниках GPS в конце 2020-х годов. ^[1]

L1C состоит из пилотного (называемого L1C _P ) и компонента данных (называемого L1C _D ). ^[36] Эти компоненты используют несущие с той же фазой (в пределах погрешности 100 миллирадиан ), вместо несущих в квадратуре, как в L5. ^[37] Коды PRN имеют длину 10 230 чипов и передаются со скоростью 1,023 Мчипа/с, таким образом, повторяясь каждые 10 мс. Пилотный компонент также модулируется оверлейным кодом, называемым L1C _O (вторичный код, который имеет более низкую скорость, чем код дальности, и также предопределен, как код дальности). ^[36] Из общей мощности сигнала L1C 25% выделяется данным и 75% пилотному. Используемая техника модуляции - BOC (1,1) для сигнала данных и TMBOC для пилотного. Временной мультиплексированный двоичный смещенный носитель (TMBOC) имеет значение BOC(1,1) для всех, за исключением 4 из 33 циклов, когда он переключается на BOC(6,1).

• Реализация предоставит код C/A для обеспечения обратной совместимости.
• Гарантировано увеличение минимальной мощности кода C/A на 1,5 дБ для смягчения любого увеличения уровня шума
• Пилот-носитель компонента сигнала без данных улучшает отслеживание по сравнению с L1 C/A
• Обеспечивает большую гражданскую совместимость с Galileo L1

Текущий статус сигнала L1C по состоянию на 3 июля 2023 года ^[21] :

• Сигнал развития с сообщением «нездоровый» и без навигационных данных
• Трансляция с 6 спутников GPS (по состоянию на 3 июля 2023 г.)
• Начало запуска в 2018 году с GPS III
• Доступно на 24 спутниках GPS в конце 2020-х годов

Код дальности L1C

Пилотные коды L1C и коды ранжирования данных основаны на последовательности Лежандра длиной10 223 используется для построения промежуточного кода (называемого кодом Вейля ), который расширяется фиксированной 7-битной последовательностью до требуемых 10 230 бит. Эта 10 230-битная последовательность является кодом ранжирования и варьируется между номерами PRN и между пилотными и информационными компонентами. Коды ранжирования описываются следующим образом: ^[38]

${\displaystyle {\begin{aligned}{\text{L1C}}_{i}(t)&={\text{L1C}}'(t{\bmod {10\,230}})\\{\text{L1C}}'_{i}(t')&={\begin{cases}W_{i}(t')&{\text{ if }}t'<p'_{i}\\S(t'-p'_{i})&{\text{ if }}p'_{i}\leq t'<p'_{i}+7\\W_{i}(t'-7)&{\text{ if }}t'\geq p'_{i}+7\\\end{cases}}\\S&=(0,1,1,0,1,0,0)\\W_{i}(n)&=L(n)\oplus L((n+w_{i}){\bmod {10\,223}})\\L(n)&={\begin{cases}1&{\text{ if }}n\neq 0{\text{ and there is an integer }}m{\text{ such that }}n\equiv m^{2}{\pmod {10\,223}}\\0&{\text{ otherwise}}\\\end{cases}}\end{aligned}}}$

где:

${\displaystyle {\text{L1C}}_{i}}$— это код ранжирования для номера PRN и компонента . ${\displaystyle i}$

${\displaystyle {\text{L1C}}'_{i}}$представляет собой период ; он введен только для того, чтобы обеспечить более ясную запись. Чтобы получить прямую формулу для , начните с правой стороны формулы для и замените все вхождения на . ${\displaystyle {\text{L1C}}_{i}}$ ${\displaystyle {\text{L1C}}}$ ${\displaystyle {\text{L1C}}'}$ ${\displaystyle t'}$ ${\displaystyle t{\bmod {10\,230}}}$

${\displaystyle t}$— это целое число периодов чипа L1C (что составляет 1 ⁄ 1,023  мкс) с момента начала отсчета времени GPS или, что эквивалентно, с любой секунды GPS (начиная с 0).

${\displaystyle i}$представляет собой упорядоченную пару, идентифицирующую номер PRN и код (L1C _P или L1C _D ), и имеет вид или , где — номер PRN спутника, а — символы (не переменные), которые указывают на код L1C _P или код L1C _D соответственно. ${\displaystyle ({\text{P}},n)}$ ${\displaystyle ({\text{D}},n)}$ ${\displaystyle n}$ ${\displaystyle {\text{P, D}}}$

${\displaystyle L}$представляет собой промежуточный код: последовательность Лежандра, областью определения которой является множество целых чисел, для которых . ${\displaystyle n}$ ${\displaystyle 0\leq n\leq 10\,222}$

${\displaystyle W_{i}}$представляет собой промежуточный код, называемый кодом Вейля, с тем же доменом, что и . ${\displaystyle L}$

${\displaystyle S}$представляет собой 7-битную последовательность, определенную для индексов от 0 до 6, начинающихся с 0 .

${\displaystyle p'_{i}}$это индекс вставки последовательности в код ранжирования, начинающийся с 0 (специфичный для номера PRN и кода ). Он определен в спецификации интерфейса (IS) как индекс, начинающийся с 1 , поэтому . ^[39] ${\displaystyle S}$ ${\displaystyle i}$ ${\displaystyle p}$ ${\displaystyle p'_{i}=p_{i}-1}$

${\displaystyle w_{i}}$индекс Вейля для номера PRN и кода, обозначенного в IS. ^[39] ${\displaystyle i}$

${\displaystyle \operatorname {mod} }$— остаток от деления (или остаток по модулю), который отличается от записи в выражениях модульной конгруэнтности , также используемых в этой статье.

Согласно приведенной выше формуле и GPS IS, первые биты (эквивалентно, до точки вставки ) и являются первыми битами соответствующего кода Вейля; следующие 7 бит — ; оставшиеся биты являются оставшимися битами кода Вейля. ${\displaystyle w_{i}}$ ${\displaystyle S}$ ${\displaystyle {\text{L1C}}'_{i}}$ ${\displaystyle {\text{L1C}}}$ ${\displaystyle S}$

IS утверждает, что . ^[40] Для ясности, формула для не учитывает гипотетический случай, в котором , что привело бы к тому, что экземпляр вставленного в перенесется из индекса ${\displaystyle 0\leq p'_{i}\leq 10\,222}$ ${\displaystyle {\text{L1C}}'_{i}}$ ${\displaystyle p'_{i}>10\,222}$ ${\displaystyle S}$ ${\displaystyle {\text{L1C}}'_{i}}$10 229 к 0.

Код наложения L1C

Длина наложенных кодов составляет 1800 бит, они передаются со скоростью 100 бит/с и синхронизируются с навигационным сообщением, закодированным в коде L1C _D.

Для чисел PRN от 1 до 63 они представляют собой усеченные выходы LFSR максимального периода, которые различаются начальными условиями и полиномами обратной связи. ^[41]

Для номеров PRN от 64 до 210 они представляют собой усеченные коды Голда, сгенерированные путем объединения 2 выходов LFSR ( и , где — номер PRN), начальное состояние которых меняется. имеет один из 4 полиномов обратной связи, используемых в целом (среди номеров PRN от 64 до 210). имеет один и тот же полином обратной связи для всех номеров PRN в диапазоне от 64 до 210. ^[42] ${\displaystyle {\text{S1}}_{i}}$ ${\displaystyle {\text{S2}}_{i}}$ ${\displaystyle i}$ ${\displaystyle {\text{S1}}_{i}}$ ${\displaystyle {\text{S2}}_{i}}$

Навигационное сообщение CNAV-2

Навигационные данные L1C (называемые CNAV-2) транслируются в кадрах длиной 1800 бит (включая FEC) со скоростью 100 бит/с.

Кадры L1C аналогичны сообщениям L2C и L5. В то время как L2 CNAV и L5 CNAV используют специальный тип сообщения для данных эфемерид, все кадры CNAV-2 включают эту информацию.

Общая структура всех сообщений состоит из 3 кадров, как указано в соседней таблице. Содержание подкадра 3 варьируется в зависимости от его номера страницы, который аналогичен номеру типа сообщений L2 CNAV и L5 CNAV. Страницы транслируются в произвольном порядке. ^[43]

Время сообщений (не путать с параметрами коррекции часов) выражается в ином формате, чем формат предыдущих гражданских сигналов. Вместо этого оно состоит из 3 компонентов:

1. Номер недели , с тем же значением, что и у других гражданских сигналов. Каждое сообщение содержит номер недели по модулю 8,192 или, что эквивалентно, 13 младших бит номера недели, что позволяет напрямую указать любую дату в циклическом 157-летнем диапазоне.
2. Интервал времени недели (ITOW): целое число двухчасовых периодов, прошедших с самого последнего начала/конца недели. Диапазон значений от 0 до 83 (включительно), для кодирования требуется 7 бит.
3. Время интервала (TOI): целое число 18-секундных периодов, прошедших с периода, представленного текущим ITOW, до начала следующего сообщения. Имеет диапазон от 0 до 399 (включительно) и требует 9 бит данных.

TOI — единственное содержимое подкадра 1. Номер недели и ITOW содержатся в подкадре 2 вместе с другой информацией.

Подкадр 1 кодируется модифицированным кодом BCH . В частности, 8 наименее значимых бит кодируются BCH для генерации 51 бита, затем объединяются с использованием исключающего ИЛИ с наиболее значимым битом, и, наконец, наиболее значимый бит добавляется как наиболее значимый бит предыдущего результата для получения окончательных 52 бит. ^[44] Подкадры 2 и 3 индивидуально расширяются с помощью 24-битного CRC , затем индивидуально кодируются с использованием кода проверки на четность с низкой плотностью , а затем чередуются как единое целое с использованием блочного перемежителя. ^[45]

Обзор частот

Все спутники вещают на тех же двух частотах, 1,57542 ГГц (сигнал L1) и 1,2276 ГГц (сигнал L2). Спутниковая сеть использует метод расширения спектра CDMA, при котором данные сообщения с низкой скоростью кодируются последовательностью псевдослучайного шума (PRN) с высокой скоростью, которая отличается для каждого спутника. Приемник должен знать коды PRN для каждого спутника, чтобы восстановить фактические данные сообщения. Код C/A для гражданского использования передает данные со скоростью 1,023 миллиона чипов в секунду, тогда как код P для военного использования США передает данные со скоростью 10,23 миллиона чипов в секунду. Несущая L1 модулируется как кодами C/A, так и кодами P, тогда как несущая L2 модулируется только кодом P. ^[47] Код P может быть зашифрован как так называемый код P(Y), который доступен только военному оборудованию с надлежащим ключом дешифрования. Оба кода C/A и P(Y) сообщают пользователю точное время суток.

Каждый составной сигнал (синфазный и квадратурный) становится:

${\displaystyle S(t)={\sqrt {P_{\operatorname {I} }}}X_{\operatorname {I} }(t)\cos \left(\omega t+\phi _{0}\right)-{\sqrt {P_{\operatorname {Q} }}}X_{\operatorname {Q} }(t)\underbrace {\sin \left(\omega t+\phi _{0}\right)} _{-\cos \left(\omega t+\phi _{0}+{\frac {\pi }{2}}\right)},}$

где и представляют мощности сигналов; и представляют коды с/без данных . Это формула для идеального случая (который не достигается на практике), поскольку она не моделирует ошибки синхронизации, шум, несоответствие амплитуд между компонентами или квадратурную ошибку (когда компоненты не находятся точно в квадратуре). ${\displaystyle \scriptstyle P_{\operatorname {I} }}$ ${\displaystyle \scriptstyle P_{\operatorname {Q} }}$ ${\displaystyle \scriptstyle X_{\operatorname {I} }(t)}$ ${\displaystyle \scriptstyle X_{\operatorname {Q} }(t)}$ ${\displaystyle \scriptstyle (=\;\pm 1)}$

Демодуляция и декодирование

Демодуляция и декодирование спутниковых сигналов GPS с использованием кода Coarse/Acquisition Gold .

Приемник GPS обрабатывает сигналы GPS, полученные на его антенне, для определения положения, скорости и/или времени. Сигнал на антенне усиливается, преобразуется в полосу пропускания или промежуточную частоту, фильтруется (чтобы удалить частоты за пределами предполагаемого диапазона частот для цифрового сигнала, которые могли бы наложиться на него) и оцифровывается; эти шаги могут быть соединены в другой последовательности. Обратите внимание, что наложение иногда является преднамеренным (в частности, когда используется субдискретизация ), но фильтрация все равно требуется для отбрасывания частот, которые не должны присутствовать в цифровом представлении.

Для каждого спутника, используемого приемником, приемник должен сначала получить сигнал, а затем отслеживать его, пока этот спутник используется; оба процесса выполняются в цифровом формате в большинстве (если не во всех) приемниках.

Получение сигнала — это процесс определения частоты и фазы кода (оба относительно времени приемника), когда они ранее были неизвестны. Фаза кода должна быть определена с точностью, которая зависит от конструкции приемника (особенно от контура отслеживания); 0,5 от длительности кодовых чипов (приблизительно 0,489 мкс) является репрезентативным значением.

Отслеживание — это процесс непрерывной настройки предполагаемой частоты и фазы для максимально точного соответствия полученному сигналу, поэтому это фазовая автоподстройка частоты . Обратите внимание, что получение выполняется для начала использования определенного спутника, но отслеживание выполняется до тех пор, пока этот спутник используется.

В этом разделе описывается одна из возможных процедур для получения и отслеживания L1 C/A, но процесс очень похож для других сигналов. Описанная процедура основана на вычислении корреляции полученного сигнала с локально сгенерированной репликой кода измерения дальности и обнаружении самого высокого пика или самой низкой впадины. Смещение самого высокого пика или самой низкой впадины содержит информацию о фазе кода относительно времени приемника. Длительность локальной реплики задается конструкцией приемника и обычно короче длительности битов навигационных данных, которая составляет 20 мс.

Приобретение

Получение заданного номера PRN можно концептуализировать как поиск сигнала в двумерном поисковом пространстве, где измерениями являются (1) фаза кода, (2) частота. Кроме того, приемник может не знать, какой номер PRN искать, и в этом случае к поисковому пространству добавляется третье измерение: (3) номер PRN.

Частотное пространство

Диапазон частот пространства поиска — это диапазон, в котором сигнал может быть обнаружен с учетом знаний приемника. Несущая частота изменяется примерно на 5 кГц из-за эффекта Доплера, когда приемник неподвижен; если приемник движется, изменение больше. Отклонение частоты кода составляет 1/1540 отклонения частоты несущей для L1, поскольку частота кода составляет 1/1540 от несущей частоты (см. § Частоты, используемые GPS). Понижение частоты не влияет на отклонение частоты; оно только сдвигает все частотные компоненты сигнала вниз. Поскольку частота привязана к времени приемника, неопределенность в частоте генератора приемника добавляется к диапазону частот пространства поиска.

Пространство кодовой фазы

Код определения дальности имеет период 1023 чипов, каждый из которых длится примерно 0,977 мкс (см. § Грубый/код захвата). Код дает сильную автокорреляцию только при смещениях по величине менее 1. Протяженность пространства поиска в измерении фазы кода зависит от гранулярности смещений, при которых вычисляется корреляция. Обычно поиск фазы кода выполняется с гранулярностью 0,5 чипа или меньше; это означает 2046 смещений. Может быть больше факторов, увеличивающих размер пространства поиска фазы кода. Например, приемник может быть спроектирован таким образом, чтобы исследовать 2 последовательных окна оцифрованного сигнала, так что по крайней мере одно из них не содержит перехода навигационного бита (что ухудшает пик корреляции); для этого требуется, чтобы окна сигнала были длиной не более 10 мс.

Пространство для номера PRN

Нижние номера PRN находятся в диапазоне от 1 до 32, и поэтому есть 32 номера PRN для поиска, когда у приемника нет информации, чтобы сузить поиск в этом измерении. Верхние номера PRN находятся в диапазоне от 33 до 66. См. § Навигационное сообщение.

Если информация альманаха была получена ранее, приемник выбирает, какие спутники прослушивать по их PRN. Если информации альманаха нет в памяти, приемник переходит в режим поиска и циклически просматривает номера PRN, пока не будет получен захват на одном из спутников. Для получения захвата необходимо, чтобы была беспрепятственная линия видимости от приемника до спутника. Затем приемник может расшифровать альманах и определить спутники, которые он должен прослушивать. Когда он обнаруживает сигнал каждого спутника, он идентифицирует его по его уникальному шаблону кода C/A.

Простая корреляция

Самый простой способ получения сигнала (не обязательно самый эффективный или наименее затратный в вычислительном отношении) — вычислить скалярное произведение окна оцифрованного сигнала с набором локально сгенерированных реплик. Локально сгенерированные реплики различаются по несущей частоте и фазе кода, чтобы покрыть все уже упомянутое пространство поиска, которое является декартовым произведением пространства поиска частоты и пространства поиска фазы кода. Несущая — это комплексное число, где действительные и мнимые компоненты являются синусоидами, как описано формулой Эйлера . Реплика, которая генерирует самую высокую величину скалярного произведения, вероятно, лучше всего соответствует фазе кода и частоте сигнала; поэтому, если эта величина выше порогового значения, приемник продолжает отслеживать сигнал или дополнительно уточнять предполагаемые параметры перед отслеживанием. Пороговое значение используется для минимизации ложных срабатываний (очевидно, обнаружения сигнала, когда на самом деле сигнала нет), но некоторые из них все еще могут иногда возникать.

Использование комплексного носителя позволяет репликам соответствовать оцифрованному сигналу независимо от фазы несущей сигнала и обнаруживать эту фазу (принцип тот же, что используется в преобразовании Фурье ). Скалярное произведение является комплексным числом; его величина представляет уровень сходства между репликой и сигналом, как и в случае обычной корреляции действительных временных рядов. Аргумент скалярного произведения является приближением соответствующего носителя в оцифрованном сигнале.

В качестве примера предположим, что гранулярность для поиска по фазе кода составляет 0,5 чипа, а по частоте — 500 Гц, тогда есть 1023/0,5  =  2046 фаз кода и 10 000 Гц/500 Гц  =  20 частот для проверки, чтобы получить в общей сложности 20×2046  =  40 920 локальных реплик . Обратите внимание, что каждый частотный бин центрирован на своем интервале и, следовательно, охватывает 250 Гц в каждом направлении; например, первый бин имеет несущую на −4,750 Гц и охватывает интервал от −5000 Гц до −4500 Гц. Фазы кода эквивалентны по модулю 1023, поскольку дальномерный код является периодическим; например, фаза −0,5 эквивалентна фазе 1022,5.

В следующей таблице показаны локальные реплики, которые будут сравниваться с оцифрованным сигналом в этом примере. «•» означает одну локальную реплику, а «...» используется для исключенных локальных реплик:

преобразование Фурье

В качестве усовершенствования по сравнению с простым методом корреляции можно реализовать вычисление скалярных произведений более эффективно с помощью преобразования Фурье . Вместо выполнения одного скалярного произведения для каждого элемента в декартовом произведении кода и частоты, для каждой фазы кода выполняется одна операция, включающая БПФ и охватывающая все частоты; каждая такая операция более затратна в вычислительном отношении, но она все равно может быть быстрее в целом, чем предыдущий метод, из-за эффективности алгоритмов БПФ, и она восстанавливает несущую частоту с более высокой точностью, поскольку частотные бины расположены гораздо ближе друг к другу в ДПФ .

В частности, для всех фаз кода в пространстве поиска оцифрованное окно сигнала поэлементно умножается на локальную копию кода (без несущей), а затем обрабатывается с помощью дискретного преобразования Фурье .

Учитывая предыдущий пример, который будет обработан этим методом, предположим, что данные имеют действительные значения (в отличие от комплексных данных, которые имели бы синфазные и квадратурные компоненты), частоту дискретизации 5 МГц, окно сигнала 10 мс и промежуточную частоту 2,5 МГц. В цифровом сигнале будет 5 МГц×10 мс  =  50 000 выборок, и, следовательно, 25 001 частотный компонент в диапазоне от 0 Гц до 2,5 МГц с шагом 100 Гц (обратите внимание, что компонент 0 Гц является действительным, поскольку он является средним значением действительного сигнала, а компонент 2,5 МГц также является действительным, поскольку он является критической частотой ). Рассматриваются только компоненты (или бины) в пределах 5 кГц от центральной частоты, что составляет диапазон от 2,495 МГц до 2,505 МГц, и он охватывается 51 частотным компонентом . Как и в предыдущем случае, имеется 2046 фаз кода , таким образом, всего будет исследовано 51×2046  =  104 346 комплексных частотных компонентов .

Круговая корреляция с преобразованием Фурье

Аналогично, в качестве улучшения по сравнению с методом простой корреляции, можно выполнить одну операцию, охватывающую все фазы кода для каждого бина частоты. Операция, выполняемая для каждого бина фазы кода, включает прямое БПФ, поэлементное умножение в частотной области, обратное БПФ и дополнительную обработку, так что в целом он вычисляет круговую корреляцию вместо круговой свертки . Это дает более точное определение фазы кода, чем метод простой корреляции, в отличие от предыдущего метода, который дает более точное определение несущей частоты, чем предыдущий метод.

Расшифровка сообщений отслеживания и навигации

Поскольку принимаемая несущая частота может меняться из-за доплеровского сдвига, точки, в которых начинаются принимаемые последовательности PRN, могут не отличаться от O на точное целое число миллисекунд. Из-за этого отслеживание несущей частоты вместе с отслеживанием кода PRN используется для определения того, когда начинается код PRN принимаемого спутника. ^[48] В отличие от более раннего вычисления смещения, при котором потенциально могли потребоваться испытания всех 1023 смещений, отслеживание для поддержания захвата обычно требует сдвига на половину ширины импульса или меньше. Для выполнения этого отслеживания приемник наблюдает две величины: фазовую ошибку и принятый сдвиг частоты. Корреляция принятого кода PRN относительно сгенерированного приемником кода PRN вычисляется для определения того, не смещены ли биты двух сигналов. Сравнения принятого кода PRN с сгенерированным приемником кодом PRN, смещенным на половину ширины импульса раньше и на половину ширины импульса позже, используются для оценки требуемой регулировки. ^[49] Величина регулировки, необходимая для максимальной корреляции, используется для оценки фазовой ошибки. Полученное смещение частоты от частоты, генерируемой приемником, дает оценку ошибки фазовой скорости. Команда для генератора частоты и любое необходимое дальнейшее смещение кода PRN вычисляются как функция фазовой ошибки и ошибки фазовой скорости в соответствии с используемым законом управления. Доплеровская скорость вычисляется как функция смещения частоты от номинальной частоты несущей. Доплеровская скорость — это компонент скорости вдоль линии визирования приемника относительно спутника.

Поскольку приемник продолжает считывать последовательные последовательности PRN, он столкнется с внезапным изменением фазы 1023-битного принятого сигнала PRN. Это указывает на начало бита данных навигационного сообщения. ^[50] Это позволяет приемнику начать считывание 20-миллисекундных битов навигационного сообщения. Слово TLM в начале каждого подкадра навигационного кадра позволяет приемнику обнаружить начало подкадра и определить время часов приемника, в которое начинается навигационный подкадр. Затем слово HOW позволяет приемнику определить, какой конкретный подкадр передается. ^{[11] [12]} Может быть задержка до 30 секунд перед первой оценкой положения из-за необходимости считывать данные эфемерид перед вычислением пересечений сферических поверхностей.

После того, как подкадр был прочитан и интерпретирован, время отправки следующего подкадра может быть вычислено с использованием данных коррекции часов и HOW. Приемник знает время часов приемника, когда было получено начало следующего подкадра, из обнаружения Telemetry Word, тем самым позволяя вычислить время прохождения и, следовательно, псевдодальность. Приемник потенциально способен получать новое измерение псевдодальности в начале каждого подкадра или каждые 6 секунд.

Затем данные об орбитальном положении, или эфемериды , из навигационного сообщения используются для точного расчета того, где находился спутник в начале сообщения. Более чувствительный приемник потенциально получит данные эфемериды быстрее, чем менее чувствительный приемник, особенно в шумной среде. ^[51]

Смотрите также

• Синфазные и квадратурные компоненты

Источники и ссылки

Библиография

Спецификация интерфейса GPS

• «Спецификация интерфейса GPS (GPS-IS-200K)» (PDF) . 4 марта 2019 г.(описывает L1, L2C и P).
• «Спецификация интерфейса GPS (GPS-IS-705F)» (PDF) . 4 марта 2019 г.(описывает L5).
• «Спецификация интерфейса GPS (GPS-IS-800E)» (PDF) . 4 марта 2019 г.(описывает L1C).

Примечания

1. "Новые гражданские сигналы" . Получено 2021-01-18 .
2. «Обязательства по бескодовому/полубескодовому доступу к GPS».
3. Гражданские GPS-приемники на самом деле имеют доступ к частоте L2
4. GPS-IS-200, таблицы 3-Ia, 3-Ib (стр. 6–8).
5. GPS-IS-200, § 3.2.1.3, таблица 3-Ia (стр. 4, 7).
6. Патент США 5576715, Литтон, Джеймс Д.; Рассел, Грэм и Ву, Ричард К., «Метод и устройство для цифровой обработки в приемнике глобальной системы позиционирования», выдан 1996-11-19, передан Leica Geosystems 
7. Petovello, Mark (ноябрь 2008 г.). "Satellite Almanac Life Expectancy" (PDF) . Inside GNSS : 14–19 . Получено 17 июля 2019 г. .
8. GPS-IS-200, § 20.3.4.1 (стр. 63–130).
9. GPS-IS-200, § 6.4.1 (стр. 63–64).
10. GPS-IS-200, § 40.3.3 (стр. 207).
11. "NAVSTAR GPS User Equipment Introduction" (PDF) . Правительство США. Архивировано из оригинала (PDF) 2013-10-21 . Получено 2013-07-24 .Раздел 1.4.2.6.
12. "Essentials of Satellite Navigation Compendium" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 7 ноября 2014 г.
13. GPS-IS-200, § 6.2.4 (стр. 50), § 3.3.4 (стр. 41).
14. GPS-IS-200, § 20.3.3.1 (стр. 87).
15. GPS-IS-200, § 20.3.3.3.1.1 (стр. 90).
16. GPS-IS-200, § 20.3.4.1 (стр. 130).
17. "Спецификация интерфейса IS-GPS-200, редакция D: Космический сегмент/навигационные пользовательские интерфейсы Navstar GPS" (PDF) . Офис совместной программы Navstar GPS. Архивировано из оригинала (PDF) 2012-09-08 . Получено 2013-07-24 .Страница 103.
18. GPS-IS-200, § 20.3.3.5.1 (стр. 108–109).
19. GPS-IS-200, § 40.3.3.5.1 (стр. 207–208).
20. Береговая охрана США GPS FAQ
21. "GPS.gov: Новые гражданские сигналы". www.gps.gov . Получено 10 июня 2021 г. . В данной статье использован текст из этого источника, находящегося в общественном достоянии .
22. GPS-IS-200, § 30.3.3 (стр. 140).
23. Нумерация начинается с 1. Бит 1 — первый бит в сообщении, а бит 300 — последний.
24. Количество TOW для начала следующего сообщения. Он использует тот же формат, что и укороченный TOW в LNAV.
25. GPS-IS-200, § 30.3.4.1 (стр. 190).
26. GPS-IS-200, § 3.3.3.1.1 (стр. 39) Обратите внимание, что синхронизация описывается в IS в терминах эпох X1, которые происходят каждые 1,5 секунды и синхронизируются с началом/концом недели GPS.
27. GPS-IS-200, § 3.3.3.1.1 (стр. 39).
28. "Спецификация интерфейса IS-GPS-200, редакция D" (PDF) . Береговая охрана США . 7 декабря 2004 г. Получено 18 июля 2010 г.
29. "GPS Antennas Thrust" . Получено 28 июня 2022 г.
30. "GPS.gov: Новые гражданские сигналы". www.gps.gov . Получено 2024-02-16 .
31. "Спутниковая навигация - GPS - Политика - Модернизация". FAA.gov . FAA. 13 ноября 2014 г. Получено 25 сентября 2018 г.
32. GPS-IS-705, таблицы 3-Ia, 3-Ib (стр. 5 7).
33. GPS-IS-705, § 3.3.2.2 (стр. 14).
34. GPS-IS-705, § 20.3.3 (стр. 41).
35. GPS-IS-705, § 3.3.3.1.1 (стр. 39).
36. GPS-IS-800, § 3.1 (стр. 2–3).
37. GPS-IS-800, § 3.2.1.6.1 (стр. 4).
38. Коды дальности описаны в GPS-IS-800, § 3.2.2.1.1 (стр. 7–8) с использованием другой нотации.
39. GPS-IS-800, таблица 3.2-2 (стр. 10–12).
40. GPS-IS-800, стр. 7.
41. GPS-IS-800, § 3.2.2.1 (стр. 6).
42. GPS-IS-800, § 6.3.1.2 (стр. 110–111).
43. GPS-IS-800, § 3.5.5.1 (стр. 69).
44. GPS-IS-800, § 3.2.3.2 (стр. 19–20).
45. GPS-IS-800, § 3.2.3.1 (стр. 18).
46. Penttinen, Jyrki TJ (16 марта 2015 г.). Справочник по телекоммуникациям: технические рекомендации для фиксированных, мобильных и спутниковых систем. John Wiley & Sons. ISBN 9781119944881.
47. Как работает GPS. Konowa.de (2005).
48. "Как GPS-приемник получает блокировку". Gpsinformation.net . Получено 2009-10-13 .
49. "NAVSTAR GPS User Equipment Introduction" (PDF) . Правительство США. Архивировано из оригинала (PDF) 2013-10-21 . Получено 2013-07-24 .Раздел 1.4.2.4.
50. "NAVSTAR GPS User Equipment Introduction" (PDF) . Правительство США. Архивировано из оригинала (PDF) 2013-10-21 . Получено 2013-07-24 .Раздел 1.4.2.5.
51. "AN02 Network Assistance". Архивировано из оригинала 2010-02-21 . Получено 2007-09-10 .