15.4.4. Сигнал спутника

С целью обеспечения стабильности в условиях уменьшения или случайных радиопомех сигнал, который передается спутником, имеет широкополосный спектр.

⁴⁴⁶Основу точности системы составляют метки времени, генерируемые атомными часами на все электронные модули.

⁴⁴⁷Следует обратить внимание на то, что атомные часы на ИСЗ – не используют атомную энергию в привычном понимании этого термина. Они получили это название, потому что используют для измерения времени стандартную частоту излучения атомов известного чистого вещества при переходе от одного уровня энергии на другой. Можно сказать, что в атомных часах роль маятника играют атомы.

Спутники Block II оснащены четырьмя стандартами точного времени: двумя рубидиевыми и двумя цезиевыми. Долговременная относительная стабильность частоты этих стандартов достигает за сутки. Водородные мазеры (квантовые генераторы) спутников Block II R способны поддерживать суточную стабильность на уровне .

⁴⁴⁸Эти высоко точные стандарты частоты используются для генерации колебаний на рабочей частоте 10,23МГц. Для устранения значительной погрешности при определении расстояния, которая возникает в результате влияния ионосферы, рабочая частота 10,23МГц умножается на 154 и 120. Таким образом конструктивно получают двухчастотный характер сигнала GPS в L–диапазоне, а именно:

L₁=1575,42Мгц, L₂=1227,60Мгц.

⁴⁴⁹Решение одной из основных задач – определение времени распространения сигнала от ИСЗ до приемника с целью последующего определения расстояния, основано на синхронизации аппаратуры спутника и приемника в единой системе времени. То есть всеми спутниками и ПРМ одновременно генерируются серии кодов. При этом у каждого ИСЗ свой код, а в ПРМ эти коды обрабатываются в отдельных каналах регистрации сигналов. Когда сообщение от i-го ИСЗ поступает в ПРМ, происходит сравнение кода сопровождающего это сообщение с кодом, который генерирует ПРМ, определяя таким образом как давно оно послано.

Разница между моментом времени, когда был передан сигнал с соответствующим кодом спутником и моментом времени когда такой код был сформирован (генерирован) ПРМ и определяет время распространения сигнала от ИСЗ до ПРМ (см. рис. 15.12.)

Рис. 15.12. Время распространения сигнала

⁴⁵⁰С целью однозначного распознавания нужного кода среди других радиосигналов передатчик и приемник одновременно генерируют очень сложный набор цифровых кодов. Эти коды повторяются каждую миллисекунду ( ) и выглядят как случайные пульсации, поэтому и называются – псевдослучайными (условно или ложно случайные коды). Фактически эти коды (PRN) имеют строгий порядок формирования.

Кроме PRN кодов на сигнал спутника накладывается дополнительная модуляция, для обеспечения передачи навигационного сообщения, представляющего совокупность данных, необходимых для использования всей GPS:

• эфемерид спутников;

• коэффициентов модели ионосферы;

• данных диагностики состояния аппаратуры;

• системного времени GPS;

• сдвига шкалы спутниковых часов и его дрейфа

Стандартная сервисная программа определения местоположения (SPS) обеспечивается низкочастотным С/А кодом. Эквивалентная длина волны С/А кода, который специально накладывается только на одну несущую частоту L₁, равна приблизительно 300м.

На вторую частоту L₂ такой код не накладывается, что дает возможность службе управления межведомственных программ (JPO – Joint Program Office) управлять информацией, которая поступает от ИСЗ, и ограничивать использование гражданскими пользователями полной достигаемой точности системы.

⁴⁵¹В заключении краткой характеристики сигнала ИСЗ спутниковой системы навигации необходимо отметить его очень малую энергию в сравнении, например, с сигналом TV спутников.

Использование малых энергий обеспечивается применением псевдослучайных кодов. Этот код позволяет значительно упростить систему благодаря использованию теории информатики и быстродействующих микрокомпьютеров.

Сигналы ИСЗ настолько слабые, что не могут быть выделены на фоне сигналов естественного радиоизлучения Земли. Естественный радиошум Земли – это случайные вариации электронных пульсаций. Псевдослучайный код выглядит почти так же, но с очень важным отличием, заключающимся в том, что эта пульсация происходит не случайно, а закономерно, т.е. конструктивно организовано. Поэтому среди слабых сигналов от радиошума Земли и от ИСЗ выделяется сигнал спутника, затем, учитывая его стабильную повторяемость, усиливается, опознается и используется для определения как расстояния до ИСЗ, так и считывания навигационной информации.

На TV спутниках не используется такое техническое решение потому, что в отличие от ССН, где основным видом информации в сигнале является один–единственный параметр – время, а сигнал одной и той же структуры повторяется огромное количество раз в единицу времени - телевизионный сигнал насыщен во много раз большим количеством очень быстро меняющейся и обновляющейся информации.

Важной причиной использования псевдослучайного кода является и то, что управляет GPS министерство обороны США, которое в любой момент может сменить коды и лишить противника возможности использования этой ССН. Даже в мирное время МО США сохраняет исключительное право собственника GPS.

Существует два вида кодов, называемых: "С/А" – код и "Р"–код. "С/А"–код используется только гражданскими приемниками. Он имеет более низкую несущую частоту, чем код "Р", и подвержен ограничениям по точности и доступности использования GPS. "Р"–код засекречен и доступ к нему имеют только военные.