Методы радиоуглометрии. Амплитудный, временной и фазовый методы радиоуглометрии

      Другим фактором, который выявляет  ложную точку, является скорость перемещения точки. В истинной точке скорость всегда будет приблизительно одинаковой в достаточно короткие промежутки времени обработки приемником информации со спутников, в другой же точке – ложной, скорость будет иметь слишком большую скорость перемещения относительно земной поверхности.

     И  по двум признакам – высота  и скорость компьютер нашего  приемника, который имеет специальную  программу, исключит ложную точку.

     Вычисления  местоположения потребителя от  трех спутников произойдет в  двухмерном пространстве (т.е. φ и λ) и только в идеальных условиях, но из-за

ошибки в  измерении времени может возникнуть ошибка в определении четвертого спутника.

 

 

Рис. 14.20.

     Сфера  от четвертого спутника пройдет  через истинную точку, исключит  ошибки в измерении времени и определит высоту над геоидом.

     Таким  образом. Для получения точной  информации для наземных и  воздушных измерений необходимы  данные от четырех спутников.

     Следует  отметить, что в памяти приемников GPS/ГЛОНАСС находится не просто примитивная модель сферической поверхности Земли, а достаточно точная модель геоида по небольшим региональным участкам. Что позволяет снизить ошибки вычислений до минимума и указать высоту полета над поверхностью эференц-эллипсоида, т.е. указывать приблизительную абсолютную высоту.

Рис.14.21

 

Спутниковая  дальнометрия  и  точная  временная  привязка

 

     Расстояние  до спутника определяется по  измеренному времени прохождения  радиосигнала от спутника до  приемника, умноженного на скорость  света (300000 км/сек).

     Для определения времени прохождения радиосигнала от спутника до приемника использован метод сравнения «псевдослучайных кодов», генерируемых в аппаратуре спутника и приемника в точно совпадающее время (временная синхронизация).

     Метод  определения прохождения радиосигнала от спутника до приемника потребителя основан на том, что аппаратура передатчика и приемника за счет «атомных часов» синхронизирована с очень высокой точностью (10^-13). Они работают в единой системе времени и всегда одновременно генерируют одинаковый «псевдослучайный код» в точно совпадающее время.

     Приемник  проверяет входящий сигнал со  спутника и определяет, когда  он генерировал тот же код.  Полученная разница (Δt) умноженная  на скорость распространения  радиоволн даст искомое расстояние.

Рис.14.22

     Эти  коды настолько сложны, что выглядят  внешне как длинные цепочки  случайных импульсов, но на  самом деле они имеют строгий  порядок и повторяются каждую  микросекунду, т.е. через каждые 10^-6 сек.

     Преимущество  в использовании серии кодов, следующих практически непрерывно. Позволяет приемнику определять временную задержку (Δt), а значит и расстояние в любое время. Кроме того, спутники могут излучать сигнал на одной и той же частоте (система GPS), так как каждый спутник идентифицируется по своему псевдослучайному коду.

      Для высокоточного определения  местоположения необходимо, чтобы  точность синхронизации часов  на спутнике и в аппаратуре  приемника соответствовала потребной  точности измерения времени прохождения  радиосигнала от спутника до приемника. Для этого на спутниках установлено четыре комплекта «атомных часов» (один комплект в работе, три в резерве), точность хода которых около одной наносекунды 10^-13 сек.

     Но  часы приемников по сравнению  с атомными часами несовершенны, поэтому появляется погрешность в определении времени Δt, которая вычисляется и устраняется специальным алгоритмом, заложенным в приемнике потребителя.

     Рассмотрим, как работает этот алгоритм  на плоскости.

     Если  часы на спутнике и в приемнике  работают синхронно в единой системе времени и имеют одинаковую точность хода, равную нулю, то точность местоположения может быть найдена по измеренным расстояниям до двух спутников.

 

Рис.14.23

.

 

    Одна  точка пересечения двух сфер  будет на земной поверхности,  другая высоко в космосе, которая автоматически устраняется компьютером приемника.

     Если  получены измерения от трех  спутников и все часы синхронизированы, то круг, описанный радиус-вектором  от третьего спутника, будет пересекаться  в той же точке, где пересекались две сферы на земной поверхности.

Рис.14.24

 

     Однако, если часы спутников и приемника  не синхронизированы, т.е. Δt = 0 и  часы спешат, например, на одну  секунду, то линии положения  будут отстоять от фактических  линий, определяющих истинное  местоположение на величину С * Δt (сдвиг) и образовывать некоторую область возможных положений приемника (область временных погрешностей).

Рис.14.25.

 

     Размеры  этой области определяются величиной  ошибки во времени между часами  спутника и приемника потребителей (С * Δt).

     Когда  приемник потребителя получает  серию измерений, которые не  пересекаются в одной точке,  то компьютер в приемнике после  серий измерений начинает вычитать (или добавлять) время методом  после довательных итераций до  тех пор, пока не сведет все измерения к одной точке (фактическое место).

Рис.14.26.

 

     После  этого вычисляется поправка во  времени и делается соответствующее  уравнение в компьютере приемника,  т.е. приводит ошибку во времени  Δt к нулю. Специальный алгоритм  в приемнике позволяет мгновенно решить проблему ошибки часов, найти ее и обнулить.

     Для  вычисления погрешности в определении  времени по часам приемника  и местоположения приемника в  пространстве в системе трех  координат (трехмерное измерение)  в дополнение к трем измерениям от спутников необходимо одновременное измерение расстояние до четырех спутников. В этом случае обеспечивается точное вычисление широты, долготы и высоты полета ВС над поверхностью эллипсоида, используемого в системе координат WGS-84, которая приближенно совпадает со средним уровнем моря, но только в тех местах, где геоид Земли совпадает с эллипсоидом вращения.

 

 

Рис.14.27.

 

 

 

 

 

14.2.7.   Псевдослучайный   код,  структура   навигационных сигналов   

           и    сообщений   спутников   систем  ГЛОНАСС  и  GPS

 

     Как  сказано было выше, для определения  прохождения радиосигнала от  спутника до приемника использован  метод сравнения псевдослучайных  кодов, генерируемых в аппаратуре  спутника и приемника в точно  совпадающее время.

     Сами  псевдослучайные коды представляют собой цифровые коды. Созданные по очень сложной системе, для того, чтобы их можно было легко распознать среди других радиосигналов и легко, безошибочно сравнивать между собой, другими словами - это строго определенная последовательность электронных импульсов, которые следуют друг за другом через 10^-6 сек.

     Использование  псевдослучайного кода в СНС  обусловлено не только необходимостью  обеспечения высокоточного измерения  времени прохождения радиосигнала  от спутника до приемника СНС. Применение псевдослучайного кода позволяет принимать и обрабатывать очень слабые сигналы от спутника.

     Сигналы  от навигационных спутников настолько  слабы. Что не могут быть  зарегистрированы на фоне сигналов  естественного радиоизлучения Земли. Естественный радиошум Земли – это случайные вариации электронных пульсаций. В то время как принимаемый псевдослучайный код - это строго определенная последовательность электронных импульсов, но выглядит он почти одинаково с естественным радиошумом Земли.

Рис.14.28

 

Однако с  одним важным отличием, заключающимся  в том, что мы знаем зоны на диаграмме  сигнала спутника, где пульсация  появилась не случайно, а закономерно, т.е. организованно.

Рис.14.29

А так как  псевдослучайный код еще и  повторяется закономерно через каждую микросекунду, то с помощью быстродействующего компьютера представляется возможным выполнять многократное сравнение принимаемых слабых сигналов и выделять псевдослучайный код на фоне естественного радиошума Земли.

     В  результате приемник СНС может иметь очень маленькую антенну, а в целом аппаратура потребителя сравнительно небольшие размеры и вес, и, кроме того, относительно небольшую стоимость. А это, в свою очередь, способствует превращению СНС в систему массового использования.

     Одна из важнейших причин применения псевдослучайного кода в СНС – это целесообразность использования всеми спутниками одной и той же несущей частоты в своих передатчиках. Для того, чтобы приемник мог определить, от какого спутника исходит данная информация, передатчики спутников посылают в составе своего сигнала стандартный идентифицирующий код, который сравнивается с кодами, находящимися в памяти приемника, т.е. приемник потребителя легко определяет и отличает навигационную информацию от конкретного спутника, и спутники не «забивают» друг друга, работая на одной частоте. Такой подход не только упрощает схему приемника, но и не смотря на малый уровень радиосигнала, как сказано выше, позволяет использовать малогабаритные антенны.

     Другая  причина, по которой в СНС используется псевдослучайный код – это управление системами спутников, станциями слежения и управления Министерства Обороны России и США. В случае военных действий они могут сменить коды и лишить противника возможности использования СНС. Даже в мирное время Министерства обороны этих стран сохраняют исключительное право собственника СНС. В системах ГЛОНАСС и GPS существуют два вида кодов, называемых в СНС ГЛОНАСС L₁ L₂, в GPS С/А – код, Р-код. Коды L₁ и С/А – используются только гражданскими приемниками. Они имеют более низкую несущую частоту, чем код L₂, Р- код и реализуют меньшую точность. Коды L₂ и Р- код имеют частоту несущего сигнала в 10 раз более высокую. Эти коды засекречены и доступ к ним имеют только военные.

    Следует  отметить, что нельзя путать С/А – код с S/А – кодом. С/А – код называется стандартным кодом, он так же известен под названием «гражданский код». S/А – режим переводится как «губительный доступ» и используется просто для снижения точности простым «загрублением» сигналов времени, передаваемых спутником. По существу, при включении этого режима доносится ложная информация, т.е. ошибка времени в сигналы спутников. Если приемник использует такие сигналы, то это вызовет максимальную ошибку в определении местоположения и точность будет не лучше 100 метров.

     

Структура навигационных радиосигналов системы  ГЛОНАСС

 

     В  системе ГЛОНАСС используется  частотное разделение сигналов (FDMA), излучаемых каждым спутником – двух фазоманипулированных сигналов. Частота первого сигнала лежит в диапазоне L₁≈ 1600 МГц, и частота второго диапазона L₂ ≈ 1250 МГц. Для каждого спутника рабочие частоты сигналов в диапазоне L₁ и L₂ когерентны и формируются от одного эталона частоты.

    Номинальное  значение частоты бортового генератора  с точки зрения наблюдателя, находящегося на поверхности Земли равно 5 МГц. В диапазоне частоты L₁ каждый спутник системы ГЛОНАСС излучает две несущие на одной и той же частоте, сдвинутые друг относительно друга по фазе на 90°.

Рис.14.30

 

     Одна  из несущих подвергается фазовой манипуляции на 180°. Модулирующий сигнал получают сложением по модулю двух трехдвоичных сигналов.

Рис.14.31

 

     Структура  сигнала ГЛОНАСС состоит из

- грубого дальномерного  кода, передаваемого со скоростью  511 бит/сек;

- последовательности  навигационных данных, передаваемых со скоростью 50 бит/сек;

- меандрового  колебания, передаваемого со скоростью  100бит/сек.

 

Состав  и структура навигационных сообщений 

спутников системы ГЛОНАСС

 

     Навигационные  сообщения формируются в виде  непрерывно следующих строк, каждая длительностью две секунды.

     В  первой части строки (интервал 1,7 сек) передаются навигационные  сообщения, а во второй (интервал 0,3) – метка времени. Она представляет  собой укороченную псевдослучайную  последовательность, состоящую из 30 символов с тактовой частотой 100 бит/сек.

      Навигационные сообщения спутников  системы ГЛОНАСС необходимы потребителям  для навигационных определений  и планирования сеансов связи  со спутниками. По своему содержанию  навигационные сообщения делятся  на оперативную и неоперативную информацию.

     К оперативной информации относят

- оцифровку  меток времени;

- сдвиг шкалы  времени спутника относительно  шкалы системы (системное время  и уход часов спутника);

- относительное  отличие несущей частоты спутника  от номинального зеачения;

- эфемеридную  информацию с положения спутника  в пространстве и времени относительно  единой для системы шкалы времени  и в геоцентрической связной  декартовой системе координат).