4.4. ТИПОВЫЕ СТРУКТУРЫ СОВМЕЩЕННЫХ СИГНАЛОВ ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ ВАРИАНТОВ ПАССИВНЫХ СРНС

Сигнал системы «Навстар» [136, 143, 148, 154].

Измеряемые РНП. В системе применен дальномерно-доплеровский способ местоопределения; измеряемыми радионавигационными параметрами являются задержка и доплеровское смещение частоты принимаемого радионавигационного сигнала относительно его модели, формируемой на П, поэтому выбран псевдошумовой ФМ сигнал, обеспечивающий высокую точность измерения обоих параметров.

Исключение ионосферной рефракционной ошибки. Для этого в системе предусмотрено излучение радионавигационных сигналов на двух когерентных несущих частотах, каждая из которых образуется умножением синхрочастоты Частотный разнос составляет или по отношению к частоте

Сигнал, излучаемый на частоте служит для ионосферной коррекции результатов измерений по сигналу, излучаемому на частоте

В системе «Навстар» на частоте предполагается излучать два сигнала, находящихся в квадратуре: труднообнаруживаемый для военных П и легкообнаруживаемый для гражданских. На частоте предполагается излучать только труднообнаруживаемый сигнал, поэтому устранение ионосферной рефракционной погрешности предполагается только для военных П, имеющих высокоточную аппаратуру.

Разделение излучений спутников. Навигационные коды. Каждый из сигналов, излучаемых на частотах представляет собой ФМ несущую, манипуляция которой выполняется навигационным кодом, труднообнаруживаемым для военных П и легкообнаруживаемый для гражданских (см. гл. 1). В первом случае используется сложный псевдошумовой код, обеспечивающий высокую точность

местоопределения, скрытность, защиту от искусственных помех. Разделение излучений НИСЗ - кодовое, каждый из них излучает свой навигационный код. Разделение сигналов одного и того же НИСЗ, излучаемых на частоте фазовое (фазовый сдвиг

Навигационный код образуется из дальномерного кода и кода двоичной служебной информации путем их сложения по модулю 2. Легкообнаруживаемый дальномерный код С/А (clear acquisition) - код пониженной точности — имеет частоту синхронизации и период Высокоточный защищенный дальномерный код Р (protected) и излучаемый вместо него код (когда требуется препятствовать применению уводящей помехи при работе по сигналу имеют одинаковую частоту синхронизации, равную на порядок более высокую, чем у кода С/А. Поскольку код образуется из кода и представляет собой криптозащищенный вариант высокоточного кода, то далее будем использовать для сокращения записи следующую символику: (или У) или имея в виду, что излучается только один из сигналов — Р или У. Тогда навигационные коды, передаваемые на частоте есть Фазовая диаграмма сигналов изображена на рис. 4.2.

Сигнал, излучаемый на частоте можно представить в виде

где небольшой фазовый шум, образуемый за счет осцилляций и ухода частоты цезиевого или рубидиевого стандарта передатчика НИСЗ. Код представляет собой псевдослучайную последовательность с периодом повторения приблизительно одна неделя. Коды данных также имеют амплитуду ±1 при скорости передачи 50 Гц. Код представляет собой код Голда [35, 148] с периодом Отношения амплитуд компонентов сигналов задаются константами На первой фазе развертывания системы амплитуда сигнала С/А на больше, чем сигнала

Код каждого спутника образуется из двух укороченных псевдошумовых кодов с одинаковой тактовой частотой привязанных к одному и тому же моменту времени и имеющих длину, отличающуюся

Рис. 4.2. Фазовая диаграмма сигналов системы «Навстар», излучаемых на частоте

на и Каждому НИСЗ соответствует свой временной сдвиг кода на элементарных символов длительности

Периоды укороченных псевдошумовых кодов составляют приблизительно 1,5 с, а период кода около 267 сут. Каждый отдельный НИСЗ формирует свой отрезок (сектор) полного кода длиной 7 сут, причем возможна смена этих секторов сразу на всех НИСЗ в период обновления кодов (раз в 7 сут), что в сочетании с большой длиной кода и закрытием образующих полиномов кодов обеспечивает защиту высокоточного сигнала системы «Навстар» от несанкционированного использования.

Дальномерный код С/А служит для измерений с более низкой точностью, не защищен от несанкционированного использования и формируется из двух последовательностей -разрядного регистра сдвига с образующими полиномами

по правилу где фазовый сдвиг, соответствующий длительность элементарного символа кода С/А. Достоинство кода С/А (кода Голда) — простота его генерации при хороших взаимокорреляционных свойствах большого ансамбля сигналов. Двадцать периодов кода С/А составляют один элементарный символ служебной информации.

Коды С/А и формируются от одной и той же опорной частоты и привязаны к одному и тому же моменту времени с погрешностью 3 не, поэтому сигнал С/А может служить ключом для ускоренного вхождения в синхронизм по коду

Сигнал, излучаемый на частоте можно представить в виде

где амплитуда сигнала; Частоты и коды на обеих частотах синхронны.

Рис. 4.3. (см. скан) Спектральная плотность сигналов системы «Навстар»

Спектры сигналов системы «Навстар» изображены на рис. 4.3. Ожидаемые мощности принимаемых сигналов при минимальном угле возвышения 5° и усилении антенны, равном нулю (круговая поляризация), следующие: для кода для кода С/А.

Кроме описанных дальномерных кодов в системе «Навстар» предусмотрены нестандартные коды которые формируются при появлении неисправностей в бортовой аппаратуре какого-либо НИСЗ. Нестандартные коды отличаются от кодов исправных НИСЗ и не могут быть декодированы потребителем. Применение NSC и NSY в системе обеспечивает защиту потребителей от использования неправильной информации.

Состав передаваемой информации. Структура кадра передаваемой информации в системе «Навстар» показана на рис. 1.4. Скорость передачи информации Кадр состоит из пяти строк по 10 слов, содержащих по 30 бит информации каждое. Таким образом, один кадр передается в течение 30 с и содержит 1500 бит информации. В начале каждой строки передаются телеметрическая информация из 8 бит и специальное ключевое слово (Ключ), содержащее 22 бита. Навигационная информация, передаваемая в кадре, содержит поправки к временной шкале, эфемериды данного НИСЗ и альманах — эфемериды остальных спутников системы. Полностью альманах передается в течение 25 кадров (подробнее см. гл. 10).

Ключевое слово вводится в кадр передаваемой информации, чтобы ускорить вхождение в синхронизм по коду Оно представляет собой число -секундных интервалов, равных длине строки, прошедших с момента исходного состояния кодов в начале недели на начало следующей строки. Каждая строка содержит четыре периода кода используемого для образования кода поскольку период кода равен 1,5 с. Поэтому, декодировав число, передаваемое ключевым словом в строке кадра, и умножив его на 4, получим число периодов кода прошедших с момента исходного состояния кода в начале недели, к началу строки. Используя эту информацию, можно декодировать код в период следующей строки кадра. Декодирование же ключевого слова можно осуществить по легкообнаруживаемому сигналу, поскольку коды синхронизированы по фазе и данные передаются как по открытому, так и по закрытому сигналам.

Таким образом, минимальный объем данных, необходимый для решения навигационной задачи, заключен в строках 1, 2, 3,

содержащих поправку к временной шкале, эфемеридную информацию и ключевые слова.

Следует отметить, что военное ведомство США считает недопустимым использование потенциальным противником информации, передаваемой даже по сигналу С/А. Поэтому в системе «Навстар» предусмотрены специальные меры загрубления информации, содержащейся в открытом сигнале. Меры организации ограниченной доступности (SA-selective availability) включают введение ошибок в излучаемые спутниками сигналы. Эти ошибки могут быть выявлены и исключены потребителями при использовании дополнительных фильтров.

Предпосылки для дальнейшего улучшения сигнала. Описанная структура сигналов системы «Навстар» позволяет определять координаты, скорость и поправку к временной шкале военного потребителя с высокой точностью. Для достижения этих результатов применен сложный код для ускорения синхронизации по которому в кадре информации передаются ключевые слова, содержащие данные о фазе принимаемого сегмента кода декодируемые по легкообнаруживаемому сигналу С/А. Применение кода позволяет решать проблему высокой помехозащищенности труднообнаруживаемого сигнала.

Однако ввиду того, что открытый сигнал недостаточно защищен от организованных помех, в условиях их воздействия ускоренная синхронизация по коду невозможна. В этом случае синхронизация по коду возможна только при расположении на потребителе высокостабильных генераторов со стабильностью не хуже что для большого класса потребителей неприемлемо.

К недостаткам выбранных сигналов следует отнести также и то обстоятельство, что сигнал типа С/А и кодовое разделение излучений спутников не являются оптимальными для гражданских потребителей, одним из основных требований которых является простота аппаратуры потребителя. Известно, что сигналы с временным разделением, использующие, например, код BINOR [17, 24, 100], позволяют получать приемлемую точность местоопределения при дешевой одноканальной аппаратуре.

Поэтому выбор пары сигналов (Р и С/А) представляет собой в некоторой степени компромиссное совмещение в одной системе требований, предъявляемых военными (высокоточными) и гражданскими потребителями, одним из основных требований которых является простота аппаратуры.

Сигнал системы «Глонасс» [190, 188, 175]

Измеряемые параметры. Спутниковая навигационная система «Глонасс» предназначена для пассивного определения координат, местоположения и скорости объектов различного назначения.

Аппаратура потребителей (АП) будет производить измерения РНП; квазидальности и радиальной квазискорости до четырех и более спутников. В составе навигационного сообщения с каждого спутника передаются эфемеридная информация о положении спутнчка и временные поправки относительно шкалы системы «Глонасс», ч также информация о состоянии всех спутников системы. По результатам измерений производится определение трех координат и составляющих вектора скорости П, а также привязка его временной шкалы к времени системы.

Разделение излучений спутников. Спутники системы «Глонасс» излучают навигационные сигналы в диапазоне Разделение излучений спутников — частотное (квазичастотное). Спутники опознаются по номинальному значению несущей частоты навигационного сигнала, которое определяется следующим выражением:

где номер литера несущей частоты; разнос частот соседних спутников.

Литер предназначен для проверки резервных НИСЗ на орбите при восполнении орбитальной группировки системы и не используется потребителями. Распределение литеров между НИСЗ системы содержится в альманахе системы (неоперативная информация в навигационных данных).

Каждый НИСЗ системы «Глонасс» на своей несущей частоте излучает бифазно манипулированный двоичной последовательностью навигационный радиосигнал. Фазовая манипуляция несущего колебания осуществляется на радиан с максимальной погрешностью не более ±0,2 радиана. Двоичная модулирующая последовательность является суммой по модулю 2 дальномерного кода, навигационных данных и вспомогательного меандрового колебания. Для каждого НИСЗ все составляющие элементы передаваемого сигнала (несущая частота, дальномерный код, навигационные данные, меандровые колебания) получены от одного бортового эталона частоты.

Дальномерный код представляет собой псевдослучайную (ПС) последовательность максимальной длины регистра сдвига и имеет следующие характеристики: номинальный период повторения номинальная скорость передачи символов

Дальномерная ПС последовательность (ПСПД) формируется девятиразрядным регистром сдвига. Код начального состояния регистра сдвига соответствует наличию «1» во всех разрядах регистра. Начальным символом в периоде ПС сигнала является первый символ в группе 111111100, номинально повторяющейся через Образующий полином соответствует дальномерному коду и имеет вид

Наряду с данными [190] в литературе (175, 188] приводятся сведения о наличии в системе «Глонасс» частоты и защищенного сигнала,

аналогичного сигналу системы «Навстар». Защищенный сигнал системы «Глонасс» представляет собой фазоманипулированную несущую с частотой следования элементов кода 5,11 Мбит/с и передается на двух частотах Разнос частот соседних спутников составляет на частоте на частоте

Энергетические характеристики радиолинии приема сигнала пониженной точности для потребителя с изотропной антенной приведены в табл. 4.1.

Состав навигационного сообщения. Навигационное сообщение передается в виде потока цифровой двоичной информации (ЦИ), преобразованной в относительный код. Скорость передачи информации 50 символов в секунду. Структурно ЦИ сформирована (см. рис. 1.5) в виде суперкадров длительностью 2,5 мин. Суперкадр состоит из 5 кадров по 30 с, и каждый кадр содержит 15 строк. Каждая строка содержит двоичные символы ЦИ и метку времени (MB).

Длительность строки ЦИ равна 2 с, и из них 0,3 с в конце строки занимает MB в виде укороченной ПС последовательности (ПСПМВ), состоящей из 30 символов длительностью Псевдослучайная последовательность метки времени описывается образующим полиномом и имеет вид 111110001101110101000010010110.

Остальную часть строки (1,7 с) занимает собственно ЦИ с символьной частотой 50 Гц, сложенная по модулю 2 с меандром двойной символьной частоты 100 Гц (бидвоичный код). Таким образом, каждая строка содержит 85 двоичных символов ЦИ. Наряду с информационными символами в каждой строке передаются избыточные символы кода Хемминга (КХ), позволяющие проверять достоверность символов ЦИ в строке.

Проверка достоверности цифровой информации строк заключается в исправлении одиночных ошибок (неверен один разряд строки) и обнаружении четного числа ошибок. Каждая строка

Таблица 4.1 (см. скан) Энергетические характеристики радиолинии

представляет собой -разрядный код, причем старшие 77 разрядов содержат информационные символы а младшие 8 разрядов — проверочные символы

Для исправлсчия однократных ошибок в -разрядных кодовых строках формируются контрольные суммы

а для обнаружения четного числа ошибок формируется контрольная сумма

Штрих около знака суммы означает, что суммирование производится не по всем индексам. Правило отбора индексов для контрольных сумм приведено в табл. 4.2. Правила выявления ошибок следующие:

а) строка считается неискаженной, если все контрольные суммы равны нулю либо лишь одна из контрольных сумм с равна единице и при этом

б) если две или более контрольных сумм равны единице и то рассчитывается величина

Таблица 4.2 (см. скан) Правило отбора информационных символов для формирования контрольных сумм

где двоичное число, сформированное из контрольных сумм двоичные числа записаны младшими разрядами вправо); порядковый номер старшей из отличных от нуля контрольных сумм.

При делается вывод о наличии ошибки в символе и символ исправляется на противоположный; при фиксируется факт наличия нечетного числа ошибок и строка не исправляется, а бракуется;

в) если хотя бы одна из контрольных сумм равна единице, а либо все суммы равны нулю, но то фиксируется факт наличия кратных ошибок и строка бракуется.

В информационном потоке строки ЦИ разделяются метками времени. Слова ЦИ записываются старшими разрядами слева. Передача ЦИ осуществляется старшими разрядами вперед. В каждой строке последний разряд (85-я позиция) необходим для реализации последовательного относительного кода при передаче ЦИ по радиолинии. Он является «холостым» и обозначается символом «0». Этот же символ дополняет укороченную ПСП метки времени предыдущей строки до полной (неукороченной) ПС последовательности.

Границы строк кадров и суперкадров различных спутников системы синхронны между собой с погрешностью не более ±2

Смысловое содержание и структура суперкадра приводятся в гл. 10. В каждом кадре суперкадра информация, содержащаяся в строках 1—4, относится к спутнику, с которого она поступает (так называемая оперативная информация). Она не меняется в пределах суперкадра. Строка 5 — общесистемные параметры. Строки с по 15 заняты неоперативной информацией для 24 спутников системы: по пять спутников в кадрах 1—4 и по четыре спутника в кадре 5. Информация об одном спутнике занимает две строки.

Таким образом, в пределах суперкадра передается неоперативная информация о всех спутниках системы (альманах системы).

В кадре имеется резерв, предусмотренный на случай изменений и дополнений в структуре навигационного сообщения.

Сравнение способов разделения излучений в системах «Глонасс» и «Навстар» [175, 188]. Интересно отметить, что использование частотного разделения в системе «Глонасс» не только затрудняет радиопротиводействие системе [175], но предоставляет большую свободу в выборе широкополосного кода. В этом случае взаимокорреляционные свойства кода не являются такой важной характеристикой, как при кодовом разделении, хотя автокорреляционные свойства должны быть по-прежнему достаточно хорошими для предотвращения ложного обнаружения сигналов. Вместе с тем использование разных

передающих частот увеличивает аппаратурную сложность многоканального приемника; аппаратурная сложность же одноканального последовательного приемника увеличивается незначительно.

Сигнал системы «Навсат» [194]. Проект системы «Навсат» разрабатывался Европейским космическим агентством ESA. Система предназначена для пассивного определения координат и скорости их изменения только гражданскими потребителями по рабочему созвездию, содержащему не менее четырех НИСЗ. Баллистическая структура сети НИСЗ аналогична первоначально планируемой в системе «Навстар» и включает 24 спутника на трех круговых орбитах с наклонением 55° и периодом обращения

Для гражданской системы «Навсат» несущественно требование обеспечения работоспособности условиях радиопротиводействия противника. Поэтому были предложены более простой, чем в системе «Навстар», навигационный сигнал и другой способ формирования навигационного сигнала, снижающие стоимость аппаратуры потребителей и упрощающие бортовую аппаратуру спутников.

Измеряемыми РНП, как и в системе «Навстар», являются задержка и доплеровское смещение частоты принимаемых радионавигационных сигналов относительно опорного. Предполагается, что доплеровские измерения могут быть использованы не только для пассивной навигании, но и для поиска и спасения терпящих бедствие подвижных объектов.

Разделение излучений различных НИСЗ системы — временное. Цикл излучения радионавигационных сигналов всеми спутниками системы с разбит на 12 временных окон длительностью отделенных одно от другого защитными интервалами в Защитные интервалы выбраны из условия предотвращения наложения на сигналов от двух соседних НИСЗ. В одном и том же временном окие излучают сигналы одновременно два спутника, раслоложенные диаметрально противоположно на одной орбите, что исключает их наложение в точке приема.

Сигнал, излучаемый каждым НИСЗ системы «Навсат», состоит из трех компонент, следующих поочередно: немодулированной несущей частоты в течение для облегчения частотного поиска и захвата сигналов НИСЗ; несущей частоты, фазоманипулированной ПСП с частотой следования элементов в течение предназначенной для грубой оценки времени прихода сигнала (грубый код); несущей частоты, фазоманипулированиой ПСП с частотой следования элементов для точного измерения псевдодальности (точный код) и приема информации, излучаемой в течение Грубый и точный коды одинаковы для всех НИСЗ системы. Временная диаграмма использования высокоточной компоненты сигнала следующая: предназначены для поиска точного кода, для захвата фазы несущей и для приема информации и обеспечения режима слежения за точным кодом.

В системе «Навсат» навигационные сигналы формируются не на борту НИСЗ, как в системе «Навстар», а на региональном наземном центре управления, в зоне действия которого в данный момент находится НИСЗ. Это приводит к упрощению бортовой аппаратуры НИСЗ, а также к затруднению несанкционированного использования системы. Сигналы, сформированные на наземном центре, будут переизлучаться спутником-ретранслятором. При ретрансляции происходит преобразование частоты навигационных сигналов. Нестабильность бортового генератора НИСЗ расширяет диапазон частотного поиска сигналов на П и увеличивает среднеквадратические погрешности (СКП) измерения псевдодальности и псевдоскорости. Для ослабления влияния нестабильности частоты бортового генератора в кадр передаваемой со спутника информации включаются параметры коррекции генератора.

Ионосферная погрешность измерения РНП будет компенсироваться алгоритмически с использованием информации, передаваемой в кадре навигационного сигнала; излучение второй частоты в системе не предусмотрено.

Информационное сообщение помимо ионосферных поправок (64 бит) и поправок к частоте генератора (14 бит) содержит эфемериды (376 бит), слово начала цикла (42 бит), маркер сообщения (8 бит), идентификатор НИСЗ (5 бит), техническое состояние НИСЗ (8 бит) и резерв (181 бит), всего 700 бит информации. Резерв предусмотрен для дополнительных команд и для использования кодов, исправляющих ошибки в сообщениях.

Энергетические характеристики и ожидаемая точность. Излучаемая мощность передатчика НИСЗ Р-100 Вт, коэффициент усиления передающей антенны мощность сигнала, принимаемого на П, при нулевом усилении приемной антенны и шумах приемника составляет Ожидаемые СКП измерения псевдодальности и скорости ее изменения составляют соответственно. Ожидаемая СКП местоопределения

Дальнейшее совершенствование сигналов системы «Навсат» связано с изменением концепции построения гражданской навигационной системы, вызванным заменой требования глобальности системы более гибким требованием обеспечения на начальном этапе создания системы ее региональности (при ограниченном объеме аппаратуры) и возможности наращивания ее до глобальной на заключительном этапе. Улучшенный таким образом вариант системы «Навсат» будет базироваться на другой баллистической структуре. Сеть НИСЗ предложено создавать на основе 6 геостационарных НИСЗ и расположенных на шести двенадцатичасовых высокоэллиптических орбитах с наклонением 64°. Вследствие изменения сети НИСЗ изменен и формат навигационных сигналов: период излучения сигналов всеми спутниками системы разбивается теперь на 9 временных окон, каждое из которых отводится соответствующей паре спутников; увеличены защитные интервалы до уточнены длительности каждой из трех компонент сигнала и объем передаваемой информации. Принцип построения сигнала остается прежним.