5. ДАЛЬНОМЕРНЫЕ КОДЫ

        Псевдослучайные последовательности. В 70-х годах стали развиваться методы измерения дальностей с использованием радиоимпульсов с начальными фазами 0 и p, интерпретируемых как 0 и 1. Закономерное чередование нулей и единиц образует код. Кодовые сигналы воспринимаются как случайный шум. Поэтому их называют псевдослучайными последовательностями (ПСП) или псевдослучайными кодами (Pseudo Random Code). Они малой мощности, однако, благодаря строгой закономерности построения, их удается выделить из общего шумового фона даже при помощи миниатюрных антенн. Тем не менее сигналы должны в несколько раз превышать уровень шума. Важным показателем является отношение сигнал/шум (SNR - Signal to Noise Ratio). Чем SNR больше, тем лучше. Рассмотрим как создаются и какими свойствами обладают ПСП (Салищев, 1995). ПСП формируют при помощи сдвиговых регистров СР, управляемых тактовыми сигналами (рис. 6). В каждом регистре можно хранить числа в двоичном коде в виде 0 или 1. Подачей тактовых сигналов частоты fm эти состояния можно изменять. Частоту fm называют тактовой. Период следования тактовых сигналов

T_m = 1/f_m

Рис. 6. Генератор ПСП


      Работу генератора ПСП рассмотрим на примере трехразрядного регистра сдвига (рис. 6). С приходом тактового сигнала записанное в регистре число сдвигается на один разряд к выходу. Сигналы с выхода и с одного сдвигового регистра, например СР-1, поступают в сумматор СУМ, а с него - на вход первого регистра, где записывается 0 или 1 в зависимости от результата сложения в сумматоре. Сложение происходит по правилу:

1+1=0                         0+1=1                     1+0=1                     0+0=0

      Последовательное чередование чисел, когда в начальном состоянии во всех СР записаны единицы, поясняет табл. 7.
    Таблица 7
    Формирование ПСП в трехразрядном регистре

      На первом такте в сумматор подается 1 с блока СР-1 и 1 с выхода схемы. С выхода сумматора в первый разряд регистра пишется 0 и т.д. На седьмом такте во всех разрядах повторится число, которое было на нулевом такте. В результате образуется кодовая последовательность: 0010111. В дальнейшем код с ука-занным чередованием чисел будет повторяться.
Если сумматор соединить с выходом СР-2 , то последова-тельность чередования нулей, единиц и код изменятся, однако период повторения кода останется прежним. Схема из K разрядов будет генерировать ПСП с общим числом символов и периодом повторения кода, равными соответственно

M = 2^K - 1    и       T_п = M T_m.

      При этом число единиц будет 2^K-1, а число нулей - (2^K-1 - 1).
Тактовые сигналы частоты fm формируются из колебаний эталонного генератора частоты fo (рис. 5). Для стандартных кодов частота f_m=f_o/10, а для точных кодов f_m=f_o. Точные коды довольно сложны. В GPS период их повторения равен 267 суткам и разде-ляется на части по семь суток. Каждый спутник имеет свой семисуточный фрагмент. Смена фрагментов на всех КА происходит еженедельно в 0 часов с субботы на воскресенье.
        Определения псевдодальностей.
       Допустим, что ПСП на спутнике и в приемнике пользователя генерируют строго синхрон-но. Тогда приходящая от спутника кодовая последовательность с M символами и длительностью Tп будет запаздывать по отношению к такой же последовательности в аппаратуре наземной стан-ции на время t = t₂ - t₁, равное распространению сигнала от КА до АП, где t₁ - момент излучения сигнала на спутнике, t₂ - момент его приема на наземной станции (рис. 7). В случае стандартного кода время t равно целому числу N кодовых последовательностей длительности T_п и части этой последовательности, состоящей из целого числа m тактов периода T_m и некоторой доли такта ф:

t = NT_п + (m + ф)T_m ,

где 0 < ф < 1, m < M. Величины m и ф могут быть замерены. Для этого последовательным сдвигом фазы местный сигнал "задерживают" на такое время (t₂ - t₁), чтобы принимаемый успел его "догнать" и они оба совпали (их корреляция максимальна).

     Рис. 7. Сравнение местных и принятых стандартных кодов
     Для индикации совпадения фаз ПСП может быть использована схема рис. 8. На вход
устройства переброски фазы ПФ подаются местные и приходящие от спутника ПСП. В
моменты смены символов местных ПСП производится переброска фазы несущего
колебания на 180°. При совпадении фаз местных и принимаемых сигналов на выходе
схемы возникнут немодулированные колебания несущей частоты и мощность
пропускаемого сигнала резко возрастет. Это служит индикатором совпадения фаз ПСП.
Рис. 8. Выделение несущего сигнала

      В действительности нет идеальной синхронизации колебаний на спутниках и на наземных станциях. Образно говоря, часы спешат или запаздывают в КА на величины Dt_ка, а в АП на величины Dt_ап по сравнению с временем всей системы. Поэтому

t₂ - t₁ = t + Dt_ка + Dt_ап .

      Умножая это выражение на скорость волн с, имеем:

P = R + d_ка + D_ап ,

где P - псевдодальность, R = ct - геометрическая дальность, d_КA=cDt_КA e D_AП = cDt_AП искажения дальности R из-за несинхронной работы станций системы. Псевдодальность

P = Nl_п + dP, dP = (m+Ф)l_m,

где l_m = c/f_m длина тактовой волны, Ф - кодовая фаза, учитывающая также и временные
задержки из-за несинхронности колебаний в спутниковой системе позиционирования, l_i=Mc/f_m длина волны ПСП. Эти и другие величины для СТ и C/A кодов указаны в табл. 8. В формуле для P имеется целое число N, определяющее неоднозначность измерения
псевдодальности. Величина N равна целому числу миллисекунд распространения
сигнала от спутника до наземной станции. Ее можно найти по известным координатам
спутника и приближенным координатам наземной станции. При этом вычисленную
псевдодальность надо знать с погрешностью

dP_N < l_п/3 < 100 км.

Таблица 8

Параметры ПСП кодов стандартной точности

      От длины тактовой волны зависит инструментальная погрешность измерений, которая
для кодов стандартной точности может иметь величину, не превышающую

dP_и< 0,01l_m » 3 - 6 м .

      Длина тактовой волны кодов высокой точности в GPS око-ло 29,3 м, а в ГЛОНАСС
- 58,7 м. Расчетная инструментальная погрешность ВТ и P кодов не более 0,3 и 0,6 м
соответственно. Аппаратура совершенствуется. Практически же коды C/A по точности не
уступают P кодам. Однако коды высокой точности обладают большими возможностями. В GPS период их ПСП Tп = 7 суткам, что значительно больше времени пробега радиоволной пути от КА до АП, равного примерно 65 - 85 миллисекундам. Дальность определима однозначно. Тем не менее и в этом случае желательно заранее знать приближенные значения координат станции АП, так как для полного последовательного перебора местных P-кодовых сигналов до момента совпадения их фазы с фазой принимаемых со спутника потребовалось бы очень большое время.