4. РАДИОСИГНАЛЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ И ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

        Электромагнитные колебания и волны. Измерения основаны на использовании периодических колебательных процессов. Простейшими являются гармонические (синусоидальные) колебания, описываемые уравнением
u = Usin(wt+j_o).
      В этой формуле u - текущее значение колебаний, U - амплитуда;
остальные величины: w - круговая частота, f - частота, T - период, j - фаза, j_o-начальная фаза.
      Эти величины связаны соотношениями:
w = 2pf , j = (wt+j_o), f = 1/T.
      Колебания электрического и магнитного полей образуют электромагнитное поле.
Распространяющееся в пространстве электромагнитное поле называют электромагнитными волнами. Волна за время T со скоростью c проходит путь l, называемый длиной волны:
l = cT = c/f
Условия распространения, технические возможности генерирования и приема существенно зависят от длины (частоты) волн. Субмиллиметровые и более длинные волны обычно называют радиоволнами. По длинам электромагнитные колебания делят на диапазоны
(табл. 5).

Таблица 5

Классификация электромагнитных волн по диапазонам

        Волны одинаковой длины, сохраняющие постоянство разности фаз, называют когерентными. Когерентные волны образуют из колебаний, генерированных в одном генераторе. Электромагнитные колебания являются поперечными, так как взаимно-перпендикулярные векторы напряженностей электрического и магнитного полей лежат в плоскости, перпендикулярной к направлению распространения волны. Обозначим эту плоскость через П. Если колебания проекции напряженности электрического вектора на плоскость П происходят в одном направлении, то говорят, что имеет место линейная поляризация. При сложении двух когерентных линейно поляризованных во взаимно-перпендикулярных направлениях колебаний образуется эллиптически поляризованная волна, в которой проекция конца электрического вектора в плоскости П перемещается по эллипсу. Если амплитуды волн равны, а фазы сдвинуты на p/2, то эллипс переходит в окружность и поляризация, как это имеет место в GPS и ГЛОНАСС, становится круговой.
        Модуляция колебаний.
        Для измерений расстояний формируют специальные дальномерные коды, представляющие собой псевдослучайные чередования нулей и единиц. Такие коды
вырабатывают на спутниках и в приемнике пользователя. Со спутника их передают на Землю. Для переноса на Землю их встраивают в колебания высокой частоты, излучаемые передатчиком КА и называемые несущими. Кроме того в несущий сигнал необходимо встроить все передаваемые со спутника данные. Этого достигают изменением, иначе модуляцией, по закону передаваемой информации какого-нибудь параметра колебаний - фазы, частоты или амплитуды. Соответственно модуляция называется фазовой, частотной или амплитудной (ФМ, ЧМ или АМ). В ГЛОНАСС и GPS имеет место особый способ ФМ - манипуляция фазы - в момент смены в коде 0 на 1 или 1 на 0 фаза несущего колебания перебрасывается на 180° (рис. 4)

      Рис. 4. Фазовая модуляция а) несущий сигнал с периодом колебаний Т; б) модулированный сигнал, T_m -- промежуток времени между смежными перебросами фазы на 180°

      Подобным образом со спутников передается вся информация. Данные предварительно преобразуют в двоичный код и в моменты смены в кодах 0 на 1 или 1 на 0 фаза несущего колебания перебрасывается на 180°.
Важно отметить, что фазовой модуляцией изменяется частотный спектр сигнала. Так, если немодулированные колебания (рис. 4а) происходят с одной частотой f = 1/T, то модулированные колебания (рис. 4б) содержат множество частот, расположенных по обе
стороны от несущей частоты. Общая мощность сигнала частоты f при этом резко уменьшается, перераспределяясь по всему спектру. В аппаратуре пользователя сигналы дальномерных кодов и других данных для дальнейшей их обработки выделяют демодуляцией (детектированием) - процессом обратным модуляции.
        Сигналы, передаваемые со спутников.
На схеме рис. 5 показано, как в GPS формируются сигналы, а в табл. 6 приведены их характеристики.

Рис. 5. Схема образования радиосигналов в КА GPS

         В GPS на каждом спутнике имеется эталонный генератор основной частоты fо = 10,23 МГц, из колебаний которого образуются сигналы, обозначаемые как L1 и L2. Они используются в качестве несущих для передачи кодов и посылки данных, а также для наиболее точных измерений дальностей фазовым методом. Их частоты и длины волн соответственно равны
f_L1 = 154 f_о,     f_L2 = 120 f_о,      l₁ = 19,0 см,     l₂ = 24,4 см
        Для определений дальностей генерируют коды двух типов - P и C/A. Код P трактуется как
точный (Precision) или защищенный (Protected). Он предназначен для военных.
Для остальных пользователей в любое время может быть введен режим избирательного доступа SA (Selective Availability), при котором с целью понижения точности измерений преднамеренно накладываются флюктуации на фазу дальномерного кода и вносятся дополни-тельные погрешности в эфемеридную информацию. В GPS предусмотрена еще одна мера защиты сигнала от несанкционированного пользователя - режим дополнительного шифрования AS (Anti Spoofing), когда P-код при помощи нелинейной функции W(t) переводится в новый Y-код. В аппаратуре военных пользователей функция W(t) известна и используется при демодуляции Y-кода.
C/A-код разработан для гражданского пользователя. Его определяют как грубый (Coarse
Aquisition), легко доступный (Clear Accessible), легко обнаруживаемый (Clear Aquisition),
гражданский (Civil Application) или стандартный (S - Standard).
Несущий сигнал L1 одновременно модулирован обоими C/A и P кодами, но фазы этих модуляций сдвинуты относительно друг друга на 90о. Сигнал L2 модулирован P-кодом и не несет C/A-кода. Оба сигнала L1 и L2 модулированы также данными, посылаемыми с КА. Модуляция такая же - ФМ. Поток сообщений каждого спутника состоит из 25 блоков по 1500 бит. Каждый блок разбит на 5 подблоков по 300 бит. Трансляция подблока занимает 6 с, блока - 30 с, всего сообщения - 12,5 минут. В каждом подблоке 10 слов по 30 бит, из которых первое слово содержит телеметрическую информацию, а второе - метки времени. За этими словами в подблоках 2 и 3 - эфемериды с кеплеровыми элементами орбиты спутника (они действительны лишь на короткое время для части его орбиты). Указанные подблоки повторяют в каждом блоке. Подблоки 4 и 5 несут данные о поправках на влияние ионосферы, параметры шкалы времени данного КА, сведения о здоровье спутника, а также альманах - сборник менее точных данных о местонахождении всех спутников. Альманах нужен для планирования и проектирования измерений. Информация подблоков 4 и 5 разделена на 25 страниц, передается постранично и
повторяется через 12,5 минут. Наиболее важные сведения потока сообщений обычно обновляют через каждые 4 часа. В GPS все спутники работают на одних и тех же частотах, но каждый имеет свой код. Разделение сигналов кодовое.
        В ГЛОНАСС все сигналы модулированы одними и теми же высокой (ВТ) или стандартной (СТ) точности кодами. Каждый спутник работает на собственных частотах. Разделение сигналов частотное. Значения частот:

f_L1 = f₀₁ + K Df₁,           f_L2 = f₀₂ + K Df₂
Df₁ = 0,5625 МГц,           f₀₂ =1246 МГц,
f₀₁ =1602 МГц,   Df₂ = 0,4375 МГц,

где номера K = от 1 до 24. К 1998 г., чтобы не мешать радиоастрономии, будут исключены номера K = от 16 до 20. Спутники в противоположных полушариях получат одинаковые номера. К 2005 г. сохранят только номера K с 1 по 12, а позже - с -7 по +4. На каждом спутнике все сигналы формируют от одного эталонного генератора основной частоты f₀ = 5,11 МГц. Несущие частоты находятся в соотношении f L1/f _L2 = 9/7. Длины волн l₀₁=18,7 см, l₀₂=24,1 см.
       В ГЛОНАСС эфемериды содержат геоцентрические координаты спутника и другое, а альманах - литер К несущей частоты, время и долготу первого прохождения внутри суток восходящего узла, поправки к наклонению орбиты и периоду обращения, аргумент перигея и эксцентриситет орбиты, сдвиг шкалы времени и другое.

Таблица 6

Характеристики сигналов, передаваемых КА

        Счет времени.
        На спутниках эталонные генераторы высокостабильных колебаний одновременно
являются хранителями времени. На борту каждого КА сигналы формируются от четырех
цезиевых атомных стандартов с относительной нестабильностью частоты за сутки около 10^-13. Передаваемые радиосигналы несут метки времени. По этим меткам на Земле при помощи станций службы времени производится сверка временных шкал с государственными эталонами. По ним же синхронизируют измерения и в аппаратуре пользователей. Единицей измерений атомного времени АТ является атомная секунда - интервал времени, в течение которого совершается 9192631770 колебаний, соответствующих резонансной частоте энергетического перехода между уровнями сверхтонкой структуры основного состояния атома   цезия-133.
         Существует Международное атомное время TAI (Time Atomic International) и Время спутниковой системы. Естественно их шкалы не совпадают. Время GPS (GPST) было установлено в полночь с 5 на 6 января 1980 г. и на 19 с меньше времени TAI (King et al., 1987). Атомное время течет равномерно и постепенно расходится с так называемым Всемирным временем UT (Universal Time), соответствующим среднему времени Гринвичского меридиана, которое соотнесено с суточным вращением Земли. Различают всемирное время UT0, получаемое из астрономических наблюдений, UT1 - исправленное за смещение мгновенного полюса относительно его среднего положения и UT2 - исправленное UT1 поправками за сезонные вариации вращения Земли.
Поскольку шкалы AT и UT между собой не согласуются, введена промежуточная шкала так называемого координированного времени UTC (Universal Time Coordinated). UTC - атомное время, которое корректируется на 1 с, когда его отклонение от UT1 превышает 0,9 с. Коррекция выполняется в последнюю секунду 31 декабря или 30 июня, или в обе даты. В ноябре 1985 г. GPST = UTC + 4 c (King et al., 1987). В июне 1993 г. GPST опережало UTC на 9 с. В июле 1994 г. это отличие составило 10 с. Системное время ГЛОНАСС корректируется одновременно с UTC и не имеет сдвига в целое число секунд (Глобальная..., 1998).
        В приемнике пользователя атомных стандартов частоты нет. Устанавливать их там было бы слишком дорого. Поэтому сдвиг шкалы времени в АП может быть на несколько порядков больше, чем на КА. К счастью этот сдвиг практически одинаков по отношению к измерениям псевдодальностей до всех наблюдаемых в данный момент спутников. Это - постоянная систематическая погрешность. Ее можно исключить, если измерять псевдодальности как минимум до 4 спутников. Четыре измерения позволят вычислить четыре параметра - три координаты, определяющие положение приемника в земном пространстве, и сдвиг шкалы времени (уход частоты) в приемнике.