Антонович К.М. Использование спутниковых радионавигационных систем в геодезии. Том 1.- М., 2005.- 334 с

определению времени и Подкомитет по США и окрестным территориям. CGSIC имеет четыре основные цели:

обеспечить обмен технической информацией и сбор информации по нуждам гражданского сообщества пользователей GPS;

выявлять требования к информации и методам распространения этой информации среди сообщества гражданских пользователей GPS;

проводить изучение GPS информации по нуждам гражданских пользователей по запросам Министерства транспорта или комитета CGSIC;

выявлять какие-либо выходы GPS технологий, которые могут решать важные проблемы, и представлять их в органы власти на рассмотрение.

Один из вопросов, которые решает CGSIC, связан с формированием созвездия GPS. Спутники работают на орбитах с превышением их срока жизни, ряд спутников находится на службе уже более 10 лет. Для налогоплательщиков это хорошая новость. Однако для пользователей GPS это означает, что нет необходимости для замены этих спутников новыми, которые принесут на орбиту новые технологии. Считается, что GPS – достаточно старая система, с технологиями 1970-х гг. Есть планы для модернизации GPS, которые принесут пользователям значительную пользу. Некоторые из них будут реализованы уже в первое десятилетие XXI в.

Другие важные проблемы – это построение национальной дифференциальной системы GPS (NDGPS), использование наблюдений GPS в прогнозах погоды, работа службы пользовательской обработки on line (On-line Positioning User Service, OPUS [Mader et al., 2003]) и др.

Комитет CGSIC встречается дважды в год, один раз в округе Вашингтон и один раз на конференции Института навигации (ION) по GPS, которая проходит в разных городах [Martin, 2003a].

5. СПУТНИКОВАЯ АППАРАТУРА 5.1. Спутниковые приемники 5.1.1. Общие сведения о приемниках

Каждый приемник, работающий по сигналам СНС, после его включения принимает сигналы навигационных спутников, обрабатывает их, производя необходимые измерения, расшифровывает навигационное сообщение и преобразует полученную информацию в значения координат, скорости движения и времени. Для вычисления пространственных координат и времени ему обычно достаточно четырех спутников.

Когда приемник выключается, он хранит координаты своей последней позиции в постоянной электронной памяти. Эти координаты становятся предварительным положением при следующем включении. В постоянной памяти хранится также последний альманах, определяющий орбиты, параметры часов и состояние всех функционирующих спутников. Эти данные используются при новом навигационном решении, чтобы определить, какие спутники находятся над горизонтом, и какие из них подходят для наиболее точного определения положения. Кварцевые часы приемника продолжают идти, даже когда он выключен, и обеспечивают ему необходимую оценку времени, когда он повторно активируется для получения нового решения.

Из-за того, что приемники и сопутствующее оборудование постоянно развиваются и совершенствуются, представляется нецелесообразным детально описывать какой-либо отдельный приемник. Более того, анализ структурных схем аппаратуры различных потребителей показывает почти полную их идентичность. Различие заключается в конструктивном исполнении, применении элементной базы, той или иной степени интеграции. Поэтому далее будут представлены упрощенные концепции общего устройства спутникового приемника. Более подробное описание можно найти в

[Шебшаевич и др., 1993; Болдин и др., 1999; Teunissen et al., 1998; Misra and Enge, 2001; Rizos, 1999] и другой специальной литературе.

Несмотря на размеры, цену, назначение или сложность современного приемника, он может быть разделен на пять главных устройств (рис. 5.1): 1) антенна и связанная с ней электроника; 2) радиочастотный блок с контурами слежения; 3) навигационный микропроцессор; 4) блок питания; 5) блок команд и контрольного дисплея. Многие приемники также включают устройства для хранения данных и устройства ввода-вывода данных.

Рис. 5.1. Основные компоненты, общие для одноканальных GPS приемников

В комплект аппаратуры могут входить дополнительные устройства: накопители данных (контроллеры), радиомодемы, метеорологические системы, штативы, штанги, центриры, рулетки, кабели и т. п.

5.1.2. Антенны

Антенна GPS приемника предназначается для приема радиоволн с правосторонней круговой поляризацией на частотах L1 и/или L2 от выбранных спутников, находящихся выше горизонта. Антенна преобразует модулированные волны несущей частоты в электрический ток, содержащий стандартный и точный коды и модуляции потока данных навигационного сообщения. Сигналы L-диапазона, принятые антенной, направляются через малошумящий предусилитель, который увеличивает их мощность, облегчая обработку последующими электронными устройствами. Полосовые фильтры в блоке предусилителя пропускают полезные сигналы и подавляют посторонние сигналы. Иногда предусилитель размещается в корпусе антенны, для его питания используется коаксиальный кабель, соединяющий антенну с приемником. Такие антенны называются активными.

Антенны для геодезических GPS измерений должны быть прочными, простыми по конструкции, иметь стабильные электрические фазовые центры, быть устойчивыми к многопутности и иметь хорошие характеристики диаграммы направленности, одинаковые во всех направлениях верхней полусферы.

Очень важны размеры и форма антенны, так как от этих характеристик зависит способность антенны улавливать и передавать в приемник очень слабые сигналы. Антенна может работать только на одной частоте или на двух, пропуская сигналы в определенной полосе частот. Антенны для приема сигналов GPS и ГЛОНАСС должны быть с правосторонней круговой поляризацией. Разработаны разнообразные типы антенн. Они включают монопольные и дипольные конфигурации, квадрифилярные (с намоткой в четыре нитки) спирали, спиральные завитки, щелевые и микрополосковые антенны.

а) микрополосковая; б) винтовая (геликальная); в) винтовые антенны с правосторонней и левосторонней поляризацией

Наиболее распространенными являются микрополосковые антенны из-за их жесткости, простоты конструкции, малой массы и размеров, простоты изготовления и дешевизны. Микрополосковая антенна состоит из двух проводящих слоев, разделенных диэлектриком. Нижний проводящий слой является заземленной плоскостью антенны (рис. 5.2, а). По форме антенны могут быть круговыми или прямоугольными, они похожи на небольшой покрытый медью участок печатной платы. Изготовленные из одного или более элементов, отделенных от основы диэлектрической подложкой, микрополосковые антенны относят к пятновым антеннам. Они могут быть одно- и двухчастотными, а их исключительно низкий профиль делает их идеальными для многих применений. Часто плоскость заземления таких антенн (ground plane) выполняется в виде плоской или изогнутой металлической пластины, играющей роль отсекателя сигналов, отраженных от земной или водной поверхности, расположенной ниже горизонта антенны. Размеры отсекателя часто значительно превышают размеры самой антенны. Микрополосковые антенны имеют диаграмму направленности, обеспечивающую всенаправленный прием сигналов с правосторонней поляризацией, что является дополнительным средством для борьбы с многопутностью сигналов, так как при отражении сигналов СРНС изменяется их поляризация.

Одной из очень распространенных форм микрополосковых антенн стали антенны типа choke ring – «заглушающее (дроссельное) кольцо» (рис. 5.3). Такие антенны особенно эффективны в борьбе с многопутностью сигналов.

Рис. 5.3. Антенна Dorne Margolin Model T (AOAD/M-T) типа choke-ring (http://www.mitre.org/work/tech_papers/tech_papers_00/rao_microstrip/)

Заземленная плоскость кольцевой антенны состоит из нескольких тонких концентрических стенок или колец, расположенных на круглой основе вокруг центра антенны. Пространства между кольцами создают «кольцевые желоба». Принцип работы заземленной плоскости антенны заключается в следующем (рис. 5.4). Принимаемый антенной сигнал состоит из двух составляющих: прямой и отраженной. Желобки не оказывают влияния на прямой сигнал, за исключением некоторого уменьшения усиления сигнала на малых высотах; для больших высот заземленная плоскость работает как плоская экранирующая плоскость. Но желобки оказывают намного большее влияние на отраженный сигнал, идущий снизу. Электромагнитное поле отраженных сигналов в окрестностях плоскости заземления антенны можно рассматривать как сумму полей первичных и вторичных волн. Задача заземленной плоскости антенны состоит в фактическом гашении одного другим первичных и вторичных отраженных сигналов, в то время как прямой сигнал остается для антенны доминирующим сигналом. Если амплитуды первичных и вторичных волн одинаковые, а их фазы различаются на 180 , то две составляющие отраженных сигналов гасятся на выходе антенны, и многопутность подавляется. Таким образом, данная кольцевая антенна оказывает оптимальное влияние только на отдельную частоту, которая имеет резонансный режим. Для заземленной плоскости такой антенны полное подавление многопутности имеет место только на определенных углах высоты, на других высотах многопутность подавляется частично. Максимум подавления многопутности находится на высотах, близких к зениту, а минимум – вблизи горизонта. Антенны choke ring обычно проектируются для одной частоты. Если антенна запроектирована для поддиапазона L1, то она не оказывает влияния на поддиапазон L2, и наоборот, если антенна запроектирована для L2, то она оказывает малую пользу для L1. В последнее время появились двухчастотные антенны choke ring, которые позволяют делать раздельную оптимизацию для частот L1 и L2.

Рис. 5.4. Схема работы кольцевой заглушающей антенны choke ring

(http://www.javad.com/jns/gpstutorial/jpstutorial.pdf)

Антеннами, не использующими отсекатель, являются различные виды винтовых спиральных антенн – винтовые (геликальные) (см. рис. 5.2, б, в), бифилярные, квадрифилярные и др. Винтовая антенна состоит из двух бифилярных спиральных петель, ортогонально ориентированных на общей оси. Как и предыдущие антенны, она также имеет всенаправленную

диаграмму и предназначена для приема сигналов с правосторонней круговой поляризацией. Этот тип антенн имеет больший коэффициент усиления сигналов на малых и средних высотах спутников, хотя влияние многопутности для них будет больше.

Обычно GPS антенны защищены от возможных повреждений пластиковым кожухом (куполом) из радиопрозрачной пластмассы, которая минимально ослабляет сигналы. Эти сигналы очень слабые; они имеют примерно ту же силу, что и сигналы от геостационарных TV спутников. Причина, по которой GPS приемнику не нужна антенна с размерами телевизионных тарелок, кроется в структуре сигнала GPS и способности приемника сужать ее. Способность извлекать сигнал GPS из общего фонового шума эфира заложена в приемнике, а не в антенне. Тем не менее, антенна должна вообще объединяться с малошумящим предусилителем, который повышает уровень сигнала, прежде чем направить его в приемник.

Сигналы GPS подвергаются затуханию, когда проходят внутри приемника через многие устройства. Некоторые комбинации антенны и приемника достаточно чувствительны, чтобы работать с сигналами, принятыми внутри деревянных зданий, и на приборном щитке автомобиля, и в углублении окна самолета, но вообще рекомендуется, чтобы антенна устанавливалась на месте с полным обзором неба. Даже на открытом воздухе плотная листва, особенно когда она влажная, может настолько ослаблять сигналы GPS, что многие комбинации антенн и приемников имеют трудности в отслеживании.

Одна и та же антенна может обслуживать два или более приемников, если используется разветвитель (сплиттер). Разветвитель должен пропускать к предусилителю постоянный ток только от одного из всех приемников и должен обеспечить определенный уровень изоляции между портами приемников так, чтобы между ними не было никаких взаимных помех.

Линии передач. Сигналы, принятые антенной, поступают в приемник по коаксиальной линии передач (кабелю). При прохождении сигналы ослабляются, степень ослабления (внутренние потери) зависят от типа и длины используемого кабеля. Для длинных линий передач необходимы кабели с малыми потерями, иначе между антенной и кабелем нужно ставить дополнительный малошумящий предусилитель.

Сигналы, проходя от антенны к приемнику, испытывают небольшую задержку. Однако эта задержка является одинаковой для сигналов, принятых одновременно от разных спутников, и поэтому она действует как дополнительное смещение шкалы часов приемника [Teunissen et al., 1998; Langley, 1998a].

5.1.3. Радиочастотный блок

Работа радиочастотного блока в GPS/ГЛОНАСС приемнике состоит в переводе радиочастоты (РЧ), прибывающей на антенну, на более низкую частоту, называемую промежуточной частотой (ПЧ), которой легче управлять в других блоках приемника. Основными элементами радиочастотного блока

являются: генератор опорной частоты, умножители для получения более высоких частот, фильтры для подавления ненужных частот и смесители.

Промежуточная частота получается путем перемножения в смесителе входного сигнала с чистым синусоидальным сигналом, генерируемым составной частью приемника, известной как вспомогательный генератор (гетеродин). Большинство спутниковых приемников используют точные кварцевые генераторы, выполняющие роль регуляторов электронных часов. Некоторые геодезические приемники вместо локального генератора используют другие генераторы, такие, как атомные стандарты частоты (на парах рубидия, цезиевом луче или водородном мазере).

В смесителе производится перемножение двух поступающих колебаний y1, y2 с амплитудами а1, а2 и различными частотами f1, f2 . В упрощенном виде это дает:

В результате получается сложное колебание y из низкочастотной f1 f2 и высокочастотной f1 + f2 составляющих. После прохождения низкочастотного фильтра высокочастотная составляющая подавляется. Оставшийся сигнал с низкой частотой обрабатывается. Разность частот f1 – f2 называется частотой биений или промежуточной частотой (ПЧ). Она легче обрабатывается, чем сигналы с высокой частотой. Сигналы ПЧ содержат все модуляции, которые присутствуют в передаваемом сигнале, изменяется только частота несущей. Большинство приемников используют несколько этапов, понижая частоту несущей по шагам. Конечный сигнал ПЧ становится рабочей частотой приемника в системах слежения за сигналом.

5.1.4. Системы слежения

Всенаправленная антенна GPS приемника принимает сигналы от всех спутников, находящихся выше горизонта антенны. Приемник должен уметь выделять сигналы каждого отдельного спутника, чтобы измерять кодовые псевдодальности и фазу несущей. Разделение достигается через использование в приемнике ряда сигнальных каналов. Сигналы от разных спутников легко различаются по передаваемым ими уникальному C/A- (стандартному) коду или части Р-кода и закрепляются за отдельным каналом.

Канал в приемнике можно использовать одним из двух основных способов. Приемник может иметь выделенные каналы, на которых непрерывно наблюдаются отдельные спутники. Для определения трех координат пункта и поправки часов приемника необходимо минимум четыре таких канала на L1 для четырех спутников. Дополнительные каналы позволяют наблюдать больше спутников или проводить наблюдения на частоте L2, необходимые для определения ионосферной задержки, или делать обе операции.

По другой концепции, используется один или несколько последовательных каналов. Последовательный канал «слушает» отдельный спутник в течение некоторого периода времени, делая измерения сигнала этого спутника, а затем

переключается на другой спутник. Отдельный канал приемника должен следовать через четыре спутника, чтобы получить информацию для определения трехмерного положения. Однако перед получением первой фиксации приемник должен задерживаться на сигнале каждого спутника, по крайней мере, на 30 с, чтобы накопить данные из навигационного сообщения спутника. Время до первой фиксации и время между обновлениями положений можно снизить, если иметь два последовательных канала.

Частным случаем последовательных каналов является мультиплексный канал. С мультиплексным каналом приемник последовательно прослушивает все спутники в быстром темпе так, чтобы накопить все бортовые сообщения от отдельных спутников почти одновременно. Для мультиплексного приемника время для первой фиксации равно 30 с или менее, как и в приемнике с многими каналами.

Приемник с единственным каналом дешевле, но из-за его медлительности применение ограничивается малыми скоростями. Приемники с раздельными каналами имеют более высокую чувствительность, поскольку они могут делать измерения по сигналам более часто, но они имеют временные сдвиги между каналами, которые необходимо тщательно калибровать. Эта калибровка обычно делается микропроцессором приемника. Большинство геодезических приемников имеют от 8 до 12 раздельных каналов для каждой частоты и могут наблюдать сигналы практически всех спутников в зоне видимости.

Приемник использует свои каналы слежения для измерения псевдодальностей и для извлечения навигационного сообщения. Это делается с помощью цепей слежения. Цепь слежения представляет собой устройство, которое позволяет приемнику «настраиваться» или следить за сигналом, который изменяется либо по частоте, либо по времени. Оно представляет собой прибор с обратной связью, в котором входящий (внешний) сигнал сравнивается с локально созданным (внутренним) сигналом. Если сигналы не совпадают, то генерируется сигнал ошибки, который является разностью между ними. Этот сигнал используется для сдвига внутреннего сигнала для того, чтобы он совпал с внешним сигналом таким образом, чтобы ошибка уменьшилась до нуля или была минимизирована. Приемник GPS использует два вида цепей слежения: цепи для захвата задержки (для слежения по кодам) и цепи для слежения за несущей.

Цепь захвата задержки используется для совмещения псевдослучайного шума, который присутствует в сигнале, приходящем от спутника, с идентичным сигналом, который генерируется в приемнике по тому же самому алгоритму, что и на спутнике (рис. 5.5). Совмещение достигается путем соответствующего смещения чипов генерированного приемником кода по времени так, чтобы отдельный чип в последовательности генерировался в тот же самый момент, когда его двойник приходит от спутника.

Рис. 5.5. Однонаправленное измерение расстояния с использованием PRN-кодов

Корреляционный компаратор в цепи захвата задержки непрерывно проводит кросс-корреляцию двух потоков кодов. Это устройство выполняет процессы умножения и сложения, которые образуют сравнительно большой выход только тогда, когда потоки кодов совмещены. Если выход низкий, то генерируется сигнал ошибки, и генератор кодов подправляется до тех пор, пока копия последовательности кодов не совпадет с последовательностью входящих сигналов. Сигналы от других спутников в основном не будут оказывать влияния на процесс слежения, потому что PRN-коды от всех спутников были выбраны ортогональными друг другу. Свойство ортогональности означает, что коррелятором всегда образуется очень низкий выход, когда сравниваются последовательности кодов, используемые двумя разными спутниками.

Из-за того, что последовательность Р-кода слишком длинная, цепи отслеживания Р-кода необходима помощь в установке ее генератора кодов близко к правильному месту для получения захвата сигнала спутника. Она получает эту помощь из информации, заключенной в слове HOW навигационного сообщения, которое доступно приемнику с первым слежением

C/A-кода.

Временной сдвиг (иногда называется фазой кода), необходимый для совмещения последовательностей кодов, в принципе, равен времени, необходимому для распространения сигнала от спутника к приемнику. Умножение этого временного интервала на скорость света дает расстояние или дальность до спутника. Но поскольку часы в приемнике и на спутнике в общем случае не синхронизированы и идут с несколько разным ходом, то измерения дальностей оказываются смещенными. Эти смещенные дальности называют псевдодальностями. Поскольку чипы в последовательности кодов спутника генерируются в точно известные моменты времени, совмещение последовательностей кодов спутника и приемника также дает отсчет по часам спутника в момент генерации сигнала.

Как только цепь отслеживания кода совершила захват, PRN-код можно удалить из сигнала спутника посредством смешивания его с локально созданным сигналом и фильтрации полученного в результате сигнала (рис. 5.6). Эта процедура сужает сигнал, сокращая его ширину пропускания примерно до 100 Гц. Именно через этот процесс GPS приемник достигает необходимое отношение уровня сигнала к шуму, чтобы отрегулировать ограничение усиления для физически малой антенны.

Рис. 5.6. Восстановление дальномерного кода

Суженный сигнал промежуточной частоты затем поступает в цепь захвата фазы, которая демодулирует или извлекает биты навигационного сообщения спутника, совмещая фазу сигнала от местного генератора приемника с фазой промежуточной частоты или сигналом частоты биений. Если фаза сигнала генератора неправильная, то это выявляется демодулятором в цепи захвата фазы, и на генератор поступает сигнал для корректировки. Как только сигнал от генератора приемника совпадет с сигналом спутника, он будет далее следовать за изменениями фазы несущей в соответствии с изменениями дальности до спутника.

Измеренная величина фазы биений несущей получается, в принципе, просто отсчетом числа прошедших циклов и измерением дробной фазы захваченного сигнала локального генератора. Измерение фазы, когда оно преобразуется в единицы расстояния, оказывается тогда неоднозначным измерением дальности до спутника. Эта неоднозначность происходит из-за того, что GPS приемник не может отличать один цикл несущей от другого, и, следовательно, предполагает произвольное число полных циклов начальной фазы, когда она первый раз захватывает сигнал. Если наблюдение фазы используется для позиционирования, то эта начальная неоднозначность должна разрешаться математически вместе с определением координат приемника. Поскольку неоднозначность является постоянной, пока приемник сохраняет захват принятого сигнала, скорость изменения фазы несущей свободна от этой неоднозначности. Эта величина называется доплеровским сдвигом сигнала спутника, и она используется, например, для определения скорости движущегося приемника, когда он находится на самолете, судне и других средствах передвижения [Teunissen et al., 1998].

5.1.5. Измерения по кодам

Типичная последовательность наблюдения спутника начинается с определения приемником спутников, которые видны над горизонтом. Видимость спутников оценивается по предсказаниям текущего положения, скорости и времени, получаемых на основании хранящейся в приемнике информации об альманахе спутников. Если никакой информации в приемнике не существует, или оценка положения, скорости и времени грубая, то приемник