Псевдослучайный код спутников ГЛОНАСС

Белорусский государственный университет

информатики и радиоэлектроники

Кафедра РЭУ

Лабораторный практикум

«Псевдослучайный код спутников ГЛОНАСС.

Код спутников ГЛОНАСС»

Разработали:                                                                                                  Руководитель:

Студенты гр. 910201                                                                                    преподаватель кафедры РЭУ

Макаревич А.В.                                                                                    Першин В. Т.

Шаплыко В. В.

Криштоп С. В.

Терешко Е. А.
Вайнилович С. В.                                                                                   

Минск, 2011

Цель лабораторной работы: формирование и исследование псевдослучайного кода спутников ГЛОНАСС; исследование способов уменьшение погрешности навигационных измерений.

История развития.

Глобальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС предназначена для определения местоположения, скорости движения, а также точного времени морских, воздушных, сухопутных и других видовпотребителей.

Глобальная навигационная спутниковая система (ГЛОНАСС - GPS) – это советская, а позже российская высокотехнологичная разработка Министерства Обороны, которая предназначена для локального позиционирования объектов с помощью взаимосвязанного комплекса спутников, работающих на приём и передачу радиосигнала. Этот проект был реализован в качестве альтернативы американской глобальной системы позиционирования NAVSTAR GPS, которая с 70-х годов прошлого столетия была монопольной в области спутникового мониторинга и слежения.

Технологическим прорывом Советского Союза в области спутникового контроля стал запуск 12 октября 1982 года первого спутника из 24 планируемых модулей, которые должны были работать над поверхностью Земли. Хотя некоторые специалисты не без оснований считают днём рождения спутниковой  навигационной системы  ГЛОНАСС 4 октября 1957 года, когда советскими учёными на орбиту был выведен первый искусственный спутник Земли.  Интересен тот факт, что впервые техническая возможность точного определения координат из космоса была подтверждена научными разработками при реализации проекта «Спутник» в 1958—1959 году. А в 1979 году на орбите заработал предшественник системы Глонасс мониторинга – комплекс из четырёх спутников «Цикада», позволяющий достаточно точно определять координаты объекта с соответствующим радиооборудованием раз в 4 часа. 

После знакового  старта в 1982 году советско-российская спутниковая навигационная система Глонасс быстро пополнялась новыми спутниковыми модулями, количество которых в 1995 году достигло запланированного числа 24. Однако в условиях стагнации экономики из-за недостатка финансовых инвестиций произошло существенное сокращение количества орбитальных аппаратов в конце 90-х. Только в 2001 году на государственном уровне в России была создана комплексная программа «Навигационная система ГЛОНАСС», которая с тех пор начала динамично развиваться по всем направлениям. Однако некоторые технические и финансовые трудности всё же привносили свои коррективы – так система мониторинга ГЛОНАСС в марте 2008 года обладала 16 спутниками вместо 24 запланированных орбитальных модулей, причём многие аппараты к тому времени уже исчерпали свой технический ресурс. К концу 2008 года спутниковая система ГЛОНАСС вышла на запланированный уровень развития, которое, как было заявлено официальными лицами, полностью завершится в 2010 году.

Тем не менее, начиная с конца 2009 года, после запуска орбитального комплекса РН «Протон-М» с тремя КА «Глонасс-М», российская система мониторинга из космоса стала покрывать практически  всю территорию Российской Федерации. Благодаря инновационному оборудованию на порядок возросла точность локального и глобального позиционирования, и комплексная спутниковая навигационная система ГЛОНАСС-GPS стала  повсеместно использоваться в различных программах.

Сегодня системы Глонасс мониторинга активно задействованы в военных и гражданских проектах различного формата, и эта технология имеет самые блестящие перспективы для развития в самом ближайшем будущем. Совмещение формата GPS с навигационной системой Глонасс на порядок увеличила точность определения координат из космоса, так как в этом случае количество спутников, видимых над территорией России возрастает. 

Принцип работы современной системы Глонасс мониторинга заключается в анализе двух типов навигационных сигналов – стандартной и высокой точности. С помощью этих параметров система Глонасс-GPS определяет горизонтальные и вертикальные координаты с точностью до 10 метров, все значимые характеристики вектора скорости объекта и точное время пребывания объекта в данной точке.

Теоретические сведения.

Система Глонасс использует сигналы на основе т. н. «псевдошумовых последовательностей», применение которых придаёт им высокую помехозащищённость и надёжность при невысокой мощности излучения передатчиков.

Псевдослучайный сигнал - шумоподобный непрерывный сигнал, состоящий из периодических, определенным образом составленных, кодовых последовательностей логических нулей и единиц, имеющий статистические характеристики, сходные с характеристиками случайных шумов.

Псевдослучайный сигнал на самом деле не является случайным – это детерминирован­ный периодический сигнал, известный передатчику и приемнику. Псевдослучайным он называется потому, что он имеет все статистические свойства дискретного белого шума. Для постороннего пользователя такой сигнал будет казаться абсолютно случайным.

В соответствии с назначением, в системе Глонасс есть две базовые частоты — L1 (стандартной точности) и L2 (высокой точности).

В Глонасс используется частотное разделение сигналов т. е. каждый спутник работает на своей частоте и, соответственно, L1 находится в пределах от 1602,56 до 1615,5 МГц и L2 от 1246,43 до 1256,53.

Частотное разделение каналов в ГЛОНАСС позволяет осуществить смещение частот в случае потери сигнала, т.е. его практически невозможно заглушить, а так же обеспечивается лучшая, по сравнению с GPS, точность.

Каждый спутник передает навигационные радиосигналы на собственных частотах поддиапазонов L1 и L2. Спутники, находящиеся в противоположных точках орбитальной плоскости (антиподные спутники), могут передавать навигационные радиосигналы на одинаковых частотах.

Сигналы спутников идентифицируются по значению номинала их несущей частоты, лежащей в отведенной полосе частот.

Номинальные значения несущих частот навигационных радиосигналов спутников ГЛОНАСС в частотных поддиапазонах L1 и L2 определяются следующими выражениями:

,где

Распределение номинальных значений несущих частот по номерам К приведено в таблице 1:

                                                                                                                                                               Таблица 1

Для каждого спутника рабочие частоты поддиапазонов L1 и L2 когерентны (Когерентность—согласованность нескольких колебательных или волновых процессов во времени, проявляющаяся при их сложении, колебания когерентны, если разность их фаз постоянна во времени и при сложении колебаний получается колебание той же частоты) и формируются от общего стандарта частоты. Номинальное значение частоты этого стандарта, с точки зрения наблюдателя, находящегося на поверхности Земли, равно 5,0 МГц. Для компенсации релятивистских эффектов (под релятивистскими эффектами понимаются проявления при высоких скоростях действия принципа относительности: в классической физике предполагается, что все наблюдатели, где бы во вселенной они не находились, получают одинаковые результаты измерений протяженности в пространстве и во времени; принцип относительности подразумевает, что разные наблюдатели получают различные результаты измерений) частота, формируемая бортовым стандартом частоты, с точки зрения наблюдателя, находящегося на спутнике, смещена относительно 5,0 МГц на относительную величину:

т.е. частота равна 4,99999999782 МГц (величины даны для номинального значения высоты орбиты спутника ГЛОНАСС, равного 19100 км).

Отношение рабочих частот L1 и L2, излучаемых определенным спутником составляет:

Фактические значения несущих частот радиосигналов каждого спутника ГЛОНАСС могут отличаться от номинальных значений на относительную величину, не превышающую

Каждый космический аппарат излучает радиосигналы стандартной точности в обоих диапазонах для реализации двухчастотного способа исключения ионосферной погрешности измерения навигационных параметров. Наряду с этим в диапазонах L1 и L2 передаются радиосигналы высокой точности (ВТ), модулированные специальным кодом и не предназначенные для международного использования. Сигнал в L1 доступен всем пользователям, сигнал в L2 — только военным (то есть, не может быть расшифрован без специального секретного ключа).

Для ГЛОНАСС ионосферная задержка сигналов, излучаемых НКА, является наибольшим источником погрешности измерений псевдодальностей и существенным образом оказывает влияние на погрешность определения координат и времени, что делает исследования, направленные на поиск путей уменьшения ионосферной погрешности измерений, актуальными.

Ионосферные задержки сигнала. Ионосфера – это ионизированный атмосферный слой в диапазоне высот 50 – 500 км, который содержит свободные электроны. Наличие этих электронов вызывает задержку распространения сигнала спутника, которая прямо пропорциональна концентрации электронов и обратно пропорциональна квадрату частоты радиосигнала. Для компенсации возникающей при этом ошибки определения псевдодальности используется метод двухчастотных измерений на частотах L1 и L2 (в двухчастотных приемниках). Линейные комбинации двухчастотных измерений не содержат ионосферных погрешностей первого порядка. Кроме того, для частичной компенсации этой погрешности может быть использована модель коррекции, которая аналитически рассчитывается с использованием информации, содержащейся в навигационном сообщении. При этом величина остаточной немоделируемой ионосферной задержки может вызывать погрешность определения псевдодальности около 10 м.

Навигационный радиосигнал, передаваемый каждым спутником системы Глонасс на собственной несущей частоте в поддиапазонах L1 и L2, является многокомпонентным фазоманипулированным сигналом. Фазовая манипуляция несущей частоты осуществляется на Пи радиан(1800) с максимальной погрешностью не более ± 0,2 радиана(≈120).

Фазоманипулированный сигнал представляет собой последовательность радиоимпульсов со значениями начальных фаз 0 и π.

Модуляция несущих частот.

Модулирующая последовательность, используемая при формировании сигналов стандартной точности для модуляции несущих частот поддиапазона L1 при формировании сигналов стандартной точности, образуется сложением по модулю два трех двоичных сигналов:

•      псевдослучайного дальномерного кода, передаваемого со скоростью 511 кбит/с;

•       цифровой информации навигационного сообщения, передаваемого со скоростью 50 бит/с;

•  вспомогательного меандрового колебания, передаваемого со скоростью 100 бит/с.

Модулирующая последовательность, используемая при формировании сигналов стандартной точности для модуляции несущих частот поддиапазона L2 при формировании сигналов стандартной точности, образуется сложением по модулю два двух двоичных сигналов:

•               псевдослучайного дальномерного кода, передаваемого со скоростью 511 кбит/с ;

•                         вспомогательного меандрового колебания, передаваемого со скоростью 100 бит/с.

Основой для формирования всех перечисленных компонентов сигнала является бортовой стандарт частоты.

Пример структуры сигнала ГЛОНАСС для частоты 1600 МГц представлен на рис. 1.

Формирование ПС дальномерного кода.

Псевдослучайный дальномерный код представляет собой последовательность максимальной длины регистра сдвига (М-последовательность) с периодом 1 мс и скоростью передачи символов 511 кбит/с.

M-последовательность лишь частный случай псевдослучайной последовательности, в которой элементы принимают два возможных значения 0 и 1 (или -1 и +1).

Последовательность максимальной длины формируется с помощью линейного n разрядного сдвигающего регистра.

Количество символов в последовательности равно (n число разрядов регистра).

Период последовательности максимальной длины ,  т.е. последовательность периодична и в каждом периоде одинакова.

Критерием для определения М - последовательности максимальной длины служит неприводимость полинома вида и его первичность на поле Галуа.

В указанном полиноме показатели степени m и n для М - последовательности максимальной длины представлены в таблице 2:

                                                                                                                                                        Таблица 2