Материал: Лекція_5_Супутникові методи визначення координат

пересилають наземним приймачам ефемериди супутників, тобто, інформацію про траєкторію супутників. В ефемериди входять дані про:

1 Систему часу супутників:

•t0e - відносного часу для ефемерид;

•t0c - відносного часу для параметрів хронометра;

•a0, a1, a2 - коефіцієнти поліному рівняння годинника (відхилення, дрейф і

т.п.);

2 Параметри орбіт Кеплера:

•а - корінь квадратний із значення великої півосі;

•е - ексцентриситет;

•і0 - нахил до часу відносності;

•Ω0 - пряме сходження висхідного вузла до часу відносності;

•ω - аргумент перигею;

•М0 - середня аномалія до часу відносності; 3 Параметри збурення орбіт:

•Δn - різниця середнього зміщення і обчисленого значення;

•ΔΩ - зміна прямого сходження;

•Δi - зміна нахилу;

•Сиз, Сис, Сіз, Сіс, Сrз, Сrс - параметри для коригування збурень орбіти. Ці дані передає на наземні приймачі кожний супутник на коді D.

6 Загальний принцип побудови супутникових передавачів системи

GPS

По суті, супутники являють собою платформи, на яких кріпиться апаратура, необхідна для роботи системи. До цього обладнання входять:

1)дві сонячні батареї площею 7м2 для живлення вузлів обладнання;

2)системи реактивних двигунів, з допомогою яких коригують положення супутника на орбіті;

3)передавач супутника, який безперервно випромінює коливання двох

частот L1 та L2.

Ці коливання одночасно є передавальними і вимірювальними. Як передавальні ці коливання використовуються для передачі кодів на наземні станції; одночасно коливання є вимірювальними, оскільки їх використовують для точних фазових вимірювань. Головним вузлом передавача, який синхронізує роботу інших вузлів, є основний високостабільний атомний генератор. Його

також коротко називають хронометром. Він випромінює частоту f0 = 10,23 МГц, стабільність якої досягає 10-12, тобто, є дуже високою. Довжина хвилі цих коливань дорівнює 29,31м. Ці коливання і їх частоту називають стандартними.

Передавальні частоти L1 та L2 формуються завдяки множенню частоти атомного генератора відповідно на 154 і на 120 (рис. 5). При цьому отримують частоти fL1 1575,42 МГц і fL2 1227,60 МГц, які відповідають дециметровому діапазону

хвиль ( L1 = 19,0 см і L2 = 24,4 см).

Коди, які випромінюють передавачі, є послідовностями двійкових сигналів. Всіх кодів є чотири: код D, код С/А, код Р і код V.

21

Рисунок 5 – Спрощена функціональна схема супутникового передавача

Код D (Dаten Соdе) - це закодована у двійковій формі наступна цифрова інформація:

•параметри орбіти супутника;

•час системи супутника;

•скорочена інформація про інші супутники системи.

Уцьому коді за 1 с передається 50 двійкових знаків, тобто, щільність інформації є 50 біт/с. Ця інформація сформована в блоки тривалістю по 30 с. Один блок поділяється на 5 підблоків по 300 біт, а підблок складається із 10 тридцятибітових слів; 24 біти інформаційні та 6 паритетних.

Упершому підблоці є дані для корекції хронометра та для визначення атмосферної поправки.

Упідблоках 2 та 3 приводяться значення ефемерид орбіти супутника . Підблок 4 призначений для спеціальних повідомлень. У підблоці 0 - дані про ефемериди та рівняння хронометрів інших супутників. Ці дані прийнято називати альманахом. Вони дають можливість приймачеві вибирати для спостережень оптимальні супутники. Це супутники, напрямки на які з приймача утворюють кути з горизонтальною площиною не менші, ніж 15°.

Коди Р, С/А і V є випадковими послідовностями 0 і 1 (рис. 6).

Рисунок 6 – Схема одного блоку двійкового коду D тривалістю 30с

22

Ці коди використовують для визначення часу проходження коливаннями шляху від ШСЗ до приймача. Код Р (Рrесіsе Соdе) - точний код. Кожний супутник в проміжок часу в сім діб формує з загального коду свій зразок, який складається з послідовності відрізків різної тривалості загального коду. Тривалість одного зразка коду більша від часу проходження сигналу від супутника до наземного приймача. Кожної суботи опівночі змінюються коди всіх супутників. З цього моменту і починається відлік часу. Для кожного супутника створено 38 зразків коду. Тому через кожні 38 тижнів (266 днів) коди, які випромінюються супутником, повторюються. Код Р має стандартну частоту f0 = 10,23 МГц; в одну секунду в цьому коді формується 10230000 двійкових знаків.

Код V має характеристики, близькі до коду Р. Він призначений в основному для військових цілей.

Код С/A (Соаrsе Ассurасу Соdе) менш точний двійковий код. Його частота в 10 разів менша від стандартної, тобто 1,023 МГц. Він служить для грубого визначення віддалей. Кожний супутник формує свій зразок коду С/А за таким самим принципом, як і код Р.

Код D модулює коди Р і С/А. Після цього модульовані коди змішують з коливаннями L1 та L2.

Таким чином, коди накладають на коливання, а вони переносять коди із супутників до наземних приймачів. Коливання L1 з незмінною фазою змішуються з модульованим кодом Р. На рис. 5 цей складний сигнал позначений D(t) Р(t). З кодом С/А, позначеним D(t) С/А (t) відбувається те саме, що і з кодом Р, але після зміни фази коливання L1 на 90°. Коливання L2 змішуються з немодульованим кодом С/А і з модульованим кодом Р. У результаті на першому коливанні можна прийняти 3 коди, а на другому – тільки код С/А або тільки код Р, або коди Р і D. Коливання із змішувачів подаються на передавальний пристрій з антеною.

7 Структурна схема геодезичного супутникового приймача

Апаратура різних фірм, що виробляють геодезичні супутникові приймачі, різноманітна, але відмінності їх будови, як правило, незначні. Виходячи з цього, є можливість розглянути узагальнену структурну схему GPS-приймача, яка дає можливість розглянути необхідність використання поданих на схемі основних складових приймача, пояснити їх функції та взаємозв'язок (рис. 7).

Вхідною частиною приймача є його антена, яка забезпечує приймання радіосигналів від супутників, що знаходяться в полі зору приймача. Вибраний тип антени та режим її роботи суттєво впливає не тільки на можливість прийняття сигналів від супутників, але й на точність супутникових спостережень. Основними характеристиками антен є: показник перетворення сигналів (коефіцієнт підсилення), який повинен відбуватися з мінімальними енергетичними втратами, та показник направленості антен (коефіцієнт направленої дії). Ідеальною формою фазової діаграми направленості (як і амплітудної) є півсфера , яка забезпечує однакову величину запізнень сигналу , незалежно від напрямку їх приходу. Завдяки такій формі ці запізнення вдається виключити.

23

Рисунок 7 – Узагальнена структурна схема GPS-приймача

Другим, не менш важливим, показником антен є поняття фазового центра, його положення і стабільність в часовому відношенні. Під фазовим центром розуміють таку точку антени, яка не піддається геометричному вимірюванню, від якої відраховуються усі віддалі до супутників, а положення цієї точки «прив'язується» до положення відповідної точки відносності на пункті спостережень (до геодезичного центру знака). Під час використання в приймачі антени, симетричної відносно своєї вертикальної осі, положення фазового центра в горизонтальній площині співпадає, як правило, з положенням згаданої тільки що осі симетрії. Але, що стосується зсуву цього центра по вертикалі, то такий зсув визначається на основі спеціальних досліджень (найчастіше в процесі налагодження та калібрування антени).

Ще однією специфікою супутникових антен є їх ігнорування щодо сигналів, відбитих від підстилаючих поверхонь (тобто, до багатошляховості). В якості додаткових дій використовують спеціальні екрануючі металеві диски.

Оскільки радіосигнали від супутника до приймача проходять великі віддалі (біля 20 тисяч км), а потужність встановленого на супутнику передавача відносно невелика (біля 10 Вт), то на вході антени сигнал має надзвичайно малу величину. Тому виникає необхідність його попереднього підсилення за допомогою підсилювача надвисокої частоти НВЧ, який розташовується біля антени. Часто антенний пристрій та НВЧ збирають окремим блоком, який з'єднується з основним блоком приймача порівняно довгим коаксіальним кабелем.

Оскільки багатократне підсилення коливань НВЧ пов'язане з суттєвими технічними ускладненнями, то в супутникових приймачах застосовують супергетеродинний принцип, під час реалізації якого коливання, що приймаються після попереднього підсилення, піддаються перетворенням, в результаті яких суттєво знижується частота передавальних коливань до декількох десятків мегагерц. Створену проміжну частоту ще називають частотою биття. Роль гетеродина виконує високостабільний головний генератор, що входить до складу приймача. Необхідна для роботи приймача сітка частот формується синтезатором частот, який використовує, як вихідні,

24

коливання сигналів головного генератора. Основне підсилення сигналів, що приймаються, виконується підсилювачем проміжної частоти (ППЧ), який підключено до виходу перетворювача частот. Безпосередньо з виходом ППЧ з'єднаний блок пошуку та захоплення, а також вимірювальний блок. Принцип дії системи пошуку сигналів від потрібного нам супутника заснований в системі GPS на так званій структурній селекції. При цьому методі передача сигналів від різних супутників виконується на одній і тій самій передавальній частоті, а розрізняють їх за структурою кодових сигналів. Тому такий метод ще називають

кодовим.

Важливою особливістю приймача є те, що на вхід приймача одночасно приходять радіосигнали від декількох супутників. Завдання приймача – прийняти та виконати селекцію (розділення) сигналів. У геодезичних GPSприймачах ця задача розв'язується введенням в схему приймача певної кількості каналів, залежно від числа супутників, що одночасно приймаються. При цьому кожен канал має опрацьовувати інформацію тільки від одного супутника. Після завершення пошуку проходить захоплення сигналів, яке дозволяє слідкувати за відповідним сигналом протягом всього сеансу спостережень, в якому бере участь «захоплений» супутник. У розділювальному блоці відбувається розділення сигналів на кодові та чисто гармонічні. Від останніх відділяють також навігаційні повідомлення, що надходять від супутника. Два перших сигнали використовуються в блоці процесора для обчислення шуканих віддалей до супутника. На основі отриманих значень псевдовіддалей виконується грубе визначення координат. Фазові вимірювання в приймачі опрацьовуються тільки попередньо. Вони згладжуються та групуються і передаються в запам'ятовуючий пристрій ЗП.

Кінцеве опрацювання фазових вимірів виконується на стадії «постопрацювання» в камеральних умовах. Блок процесорів, що входить в будову приймача, крім попередніх обчислень, керує роботою приймача в автоматичному режимі на основі закладеного в ньому програмного забезпечення.

Пульт керування та індикації, показаний на структурній схемі, включає клавіатуру та індикаторний дисплей, на якому, за бажанням оператора, можна відображати величини, що визначаються приймачем, а також іншу допоміжну інформацію. Клавіатура дозволяє оператору вводити необхідну інформацію, а також різні команди.

8 Відомості про роботу системи керування та опрацювання вимірів приймачем GPS

Принцип роботи GPS-приймача показує, що в процесі підготування та виконання спостережень виникає необхідність виконання багатьох операцій, пов'язаних з оперативним керуванням роботою різних вузлів приймача. Крім того, в приймачі виконується попереднє опрацювання отриманої інформації. Для реалізації опрацювання до складу приймача включається спеціалізована мікроЕОМ, яка має процесори, таймер, різні запам'ятовуючі пристрої та інші вузли, характерні для обчислювальної техніки. Керування роботою обчислювального комплексу виконується пультом керування та індикації за допомогою програми, що введена в приймач. Розглянемо блок-схему, яка ілюструє принцип

25