антенны, которая обеспечивала бы максимальную чувствительность для прямых сигналов и минимальную - для отраженных. В качестве дополнительной меры используют также установку специальных экранирующих металлических дисков непосредственно под антенной. Наличие таких дисков позволяет во многих случаях защитить антенну от попадания на нее отраженных сигналов. При этом следует иметь в виду то обстоятельство, что наличие экранирующих дисков существенно влияет на формирование амплитудной и фазовой диаграмм направленности.

1.7.4. Селекция сигналов, поступающих от различных спутников

Одна из особенностей работы спутниковой GPS-аппаратуры потребителя состоит в том, что в процессе выполнения измерений на вход приемника одновременно поступают радиосигналы от различных спутников, находящихся в поле зрения. При этом одна из функций GPS-приемника заключается в способности разделять эти сигналы. В геодезических GPS-приемниках отмеченная задача решается за счет введения в схему приемника соответствующего количества каналов (обычно по числу принимаемых спутников), причем каждый канал должен обрабатывать информацию только от одного спутника.

Для пояснения принципа образования нескольких каналов на рис. 1.13 приведена упрощенная функциональная схема многоканального GPS-приемника.

При реализации различной многоканальной радиоприемной аппаратуры, в которой каждый канал должен быть приспособлен для выделения интересующего нас сигнала из всей совокупности поступающих на вход приемника сигналов, чаще всего применяют пространственные, временные или частотные методы селекции.

Пространственная селекция предполагает наличие остронаправленных антенн, что для рассматриваемой GPS-системы неприемлемо.

Временная селекция, базирующаяся на разносе во времени радиосигналов от различных спутников, также не удовлетворяет предъявляемым требованиям, так как сигналы от различных спутников поступают на вход приемника одновременно.

В отечественной спутниковой системе ГЛОНАСС применен частотный метод селекции, для реализации которого каждый из спутников излучает радиосигналы на несущих частотах, характерных только для вполне конкретного спутника. Такой подход создает существенные затруднения при выполнении высокоточных фазовых измерений с использованием дифференциальных методов, так как строгий учет

58

временных аппаратных задержек, зависящих от частоты, оказывается при этом достаточно сложной задачей.

Исходя из вышеизложенного, в системе GPS использован несколько иной, нестандартный метод разделения сигналов от различных спутников, получивший в литературе название структурной селекции. При таком способе передача сигналов с различных спутников осуществляется на одной и той же несущей частоте, а для разделения используется их структурное различие, и, в частности, различие в структуре кодовых сигналов. С учетом этого рассматриваемый способ селекции называют также кодовым разделением.

В приведенной схеме (см. рис. 1.13), подразумевающей применение структурной селекции, разделение сигналов, их последующее отслеживание и измерение соответствующих свойственных таким сигналам параметров осуществляется на основе работы блоков автоматической подстройки времени (АПВ), автоматической подстройки частоты (АПЧ) и автоматической подстройки фазы (ФАПЧ), а также на основе использования характерных для каждого спутника и для каждой несущей частоты соответствующих кодовых сигналов (для частоты L1 - С/А-кода, а для частоты L2 — Р-кода).

Рис. 1.13. Упрощенная функциональная схема многоканального GPS-приемника

Контрольный канал слежения введен в схему с целью осуществления контроля за постоянством временных задержек сигналов в различных каналах. Управление всеми режимами работы каналов и первичная обработка результатов наблюдения осуществляется с помощью процессора.

При осуществлении структурной селекции широко используется корреляционный принцип сравнения принимаемых от спутника и

59

формируемых на месте сигналов. При этом характерные для системы GPS кодовые сигналы рассматривают как псевдошумовые, одна из особенностей которых состоит в том, что при корреляционном перемножении двух псевдошумовых сигналов на выходе корреляционного перемножителя резкое возрастание сигнала, свидетельствующее о сильной корреляционной зависимости двух перемножаемых сигналов, происходит только в том случае, если упомянутые кодовые (псевдошумовые) сигналы имеют одинаковую, совпадающую во времени структуру. Исходя из этого, при осуществлении структурной селекции

вприемной аппаратуре потребителя должна быть предусмотрена возможность формирования сигнала отклика, структура которого точно соответствует структуре сигнала от интересующего нас спутника.

Вдополнение к вышеизложенному для временного совпадения двух сравниваемых сигналов в состав формирователя местного сигнала отклика должна быть введена соответствующая, плавно перестраиваемая линия задержки. Такая система автоматической подстройки времени (АПВ) в сочетании с корреляционным перемножителем позволяет не только отделить сигнал интересующего нас спутника от сигналов, характерных для других спутников, но и произвести измерения псевдодальности между спутником и приемником на основе применения кодовых сигналов.

Наряду с рассмотренным выше кодовым разделением при выполнении фазовых измерений в GPS-приемниках возникает необходимость использования передаваемых со спутника гармонических несущих колебаний, которые в аппаратуре потребителя «очищаются» от модулирующих кодовых сигналов и от навигационного сообщения. Поскольку передача со всех GPS-спутников осуществляется на одних и тех же несущих частотах, то из-за взаимного влияния несущих колебаний, излучаемых различными спутниками, могут возникнуть нежелательные искажения сигналов, используемых при фазовых измерениях. С учетом этого наряду со структурной селекцией

вGPS-приемниках предусматривается также дополнительная частотная селекция, применение которой базируется на том факте, что из-за доплеровского эффекта частоты сигналов, поступающие на вход приемника от различных спутников, оказываются различными. Расчетные и экспериментальные данные свидетельствуют о том, что значения доплеровских сдвигов частоты в системе GPS оцениваются величинами в несколько килогерц. Поэтому использование достаточно узкокополосных фильтров, подключаемых после устранения модуляции с полосой пропускания на уровне 100 Гц, позволяет достаточно эффективно решать задачу, связанную с отделением гармонических колебаний, излучаемых интересующим нас спутником,

60

от аналогичных колебаний, поступающих на вход приемника от других спутников.

1.7.5. Методы поиска, захвата и отслеживания сигналов,

передаваемыхразличными спутниками

Используемые в геодезических GPS-приемниках методы наблюдений базируются на возможности оперативного обнаружения передаваемых конкретным спутником сигналов, их захвата и удержания на протяжении всего периода наблюдений. Для реализации такой возможности в приемник вводят устройства поиска, захвата и отслеживания сигналов, поступающих от подлежащего наблюдениям спутника.

Принцип действия системы поиска сигналов от нужного нам спутника основан на использовании описанных в подразделе 1.7.4. методов структурной и вспомогательной частотной селекции. При этом для формирования местного сигнала отклика, являющегося точной копией передаваемого с интересующего нас спутника сигнала, с помощью соответствующих автоматически работающих устройств производится последовательный перебор возможных вариантов структурных построений кодовых сигналов, их сдвига во времени, а также значений несущих частот с учетом их доплеровского сдвига. Принцип поиска сигналов, поступающих от конкретного спутника, поясняет упрощенная функциональная схема GPS-приемника (рис. 1.14).

Рис. 1.14. Упрощенная функциональная схема, поясняющая принцип поиска сигналов в GPS-приемниках

61

Центральным узлом в данной схеме является блок управления поиском, который выдает команды для работы блоков управления местным кодовым генератором и линией задержки, а также для блока управления сдвигом частоты.

По команде, поступающей от блока управления поиском, блок управления кодовым генератором осуществляет последовательное переключение структур кодовых сигналов, характерных для различных входящих в действующее «созвездие» GPS-спутников. Вместе с тем с помощью блока управления сдвигом частоты осуществляется подбор такой частоты местного генератора, которая согласуется с подверженной доплеровскому влиянию частотой принимаемого сигнала от интересующего нас спутника.

В результате работы отмеченных выше блоков управления удается на выходе фазового модулятора подобрать такой местный сигнал отклика, который характеризуется максимальной корреляционной взаимосвязью с принимаемым сигналом. Такое корреляционное соответствие обуславливает резкое увеличение сигнала на выходе смесителя, который существенно превышает уровень шума, в качестве которого можно рассматривать все поступающие на вход приемника сигналы от других спутников.

После соответствущего усиления, детектирования и фильтрации упомянутый сигнал подается на временной селектор, а с последнего — на пороговое устройство. С помощью временного селектора осуществляется выборка согласованного во времени сигнала от спутника с сигналом, формируемым в приемнике. В пороговом устройстве производится сравнение сигнала выборки с установленным в данной устройстве порогом. При превышении порогового значения в блок управления поиском поступает сигнал, свидетельствующий о захвате интересующего нас сигнала, на основе чего поиск прекращается или осуществляется переход к поиску очередного спутника.

На основе анализа работы системы поиска установлено, что число коммутируемых при поиске переборок возможных комбинаций формирования местного сигнала отклика исчисляется тысячами. В результате этого на поиск сигналов отдельных спутников может затрачиваться время от нескольких десятков секунд до нескольких минут.

Описанный выше принцип поиска сигналов от конкретных спутников решает одновременно и задачи, связанные с захватом и удержанием этих сигналов на протяжении всего периода наблюдений за исключением тех ситуаций, когда в процессе наблюдений из-за различного рода мешающих воздействий (например, из-за экранировки) происходит потеря принимаемых сигналов.

62