Дисперсия электронно-магнитных волн. Понятие групп и фаз

 

Колебания электрического и маnнитного полей образуют электромагнитное поле. Распространяющееся в пространстве электромагнитное поле называют электромагнитными волнами. Волна за время Т со скоростью с проходит ПУТЬ л" называемый длиной волны

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

Волны одинаковой длины, сохраняющие постоянство разности фаз, называют когерентыми.

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 n/2, то эллипс переходит в окружность и поляризация становится круговой. В GPS и ГЛОНдСС имеет место правосторонняя круговая поляризация. 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 ДМ). В ГЛОНдСС и GPS имеет место особый способ ФМ - манипуляция фазы - в момент смены в коде О на 1 или 1 на О фаза несущего колебания перебрасывается на 180" (рис. 4).

Подобным образом со спутников передается вся информация. Данные предварительно

преобразуют в двоичный код и в моменты смены в кодах О на 1 или 1 на О фаза несущего

колебания перебрасывается на 180".

Важно отметить, что фазовой модуляцией изменяется частотный спектр сигнала. Так, если немодулированные колебания (рис. 4, а) происходят с одной частотой f = 1/Т, то модулированные колебания (рис. 4, б) 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.

в GPS на каждом спутнике имеется эталонный генератор основной частоты fo = 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. В перспективе, с целью повышения надежности позиционирования и безопасности полетов в авиации, будет введена третья частота L.5

Для определений дальностей генерируют коды двух типов - Р и С/А. Код Р трактуется как точный (Precision) или защищенный (Protected). Он предназначен для военных. Для остальных пользователей в любое время может быть введен режим селективного доступа SA (Selective Availability), при котором с целью понижения точности измерений преднамеренно накладываются флюктуации на фазу дальномерного кода и вносятся дополнительные погрешности в эфемеридную информацию. В ночь с 1 на 2 мая 2000 г. президент США отменил режим SA, повысив этим точность измерений для гражданских пользователей в 1О раз. В случае возникновения угрозы национальной безопасности США режим понижения точности будет вводится регионально. В GPS предусмотрена еще одна мера защиты сигнала от несанкционированного пользователя - режим дополнительного шифрования AS (Anti Spoofing), когда Р-код при помощи нелинейной функции W(t) переводится в новый У-код. В аппаратуре военных пользователей функция W(t) известна и используется при демодуляции У-кода. В будущем, при модернизации системы, предполагается ввести новые военные коды, в совокупности называемые М-кодами.

Их будут передавать в требуемом регионе с повышенной мощностью. Все эти меры принимаются по трем соображениям, определяемом как «принцип трех Р»:__

- Protection - защита вооруженных сил на театре военных действий.

- Prevention - предотвращение использования GP5 противником.

- Preseгvation - сохранение качества услуг GPS, предоставляемых гражданским пользователям за пределами театра военных действий.

С/А-код разработан для гражданского пользователя. Его трактуют как грубый (Coarse

Aquisition), легко доступный (Clear AccessibIe), легко обнаруживаемый (Clear Aquisition),

гражданский (Civil Дpplication) или стандартный (5 - Standaгd).

Несущий сигнал L1одновременно модулирован обоими С/А и Р-кодами, но фазы этих модуляций сдвинуты относительно друг друга на 90·. Сигнал L2 модулирован Р-кодом И не несет С/А-кода (планируется ввести и этот код). оба сигнала L1 и L2 модулированы

также данными, посылаемыми с КА. Модуляция такая же - ФМ. Посылка данных (навигационное сообщение) каждого спутника GP5 состоит из 25 блоков по 1500 бит. Каждый блок разбит на 5 подблоков по 300 бит. Трансляция подблока занимает 6с, блока - 30 с, всего сообщения - 12,5 мин. Каждый подблок разделен на 10 слов по 30 бит. Все подблоки начинаются с телеметрической информацию и информации, используемой для счета времени, формирования меток времени и выяснения, какая часть данного Р(У)-кода передается. Далее в первом подблоке идет информация о поправках к часам спутника, а в подблоках 2и 3 - эфемериды с поправками к кеплеровым элементам орбиты спутника (они действительны лишь на короткое время для части его орбиты). Указанные подблоки повторяются в каждом блоке. Подблоки 4 и 5несут данные о поправках за влияние ионосферы, а также альманах – сборник менее точных данных о местонахождении всех спутников. Альманах нужен для планирования и проектирования измерений. Информация подблоков 4и 5разделена на 25 страниц, передается постранично и повторяется через 12,5 мин. Сведения, касающиеся конкретного спутника передаются только этим спутником. Информация альманаха транслируется каждым спутником. Кроме того навигационное послание передает сведения о работоспособности (здоровье) спутников и др. Наиболее важное обновляется через каждые 4 часа (L..eick, 1995).

В GP5 все спутники работают на одних и тех же частотах, но каждый имеет свой код. Разделение сигналов кодовое.

В ГЛОНдСС все сигналы модулированы одними и теми же высокой (ВТ) или стандартной

(СТ) точности кодами. Сигналы L1 модулированы обоими кодами, L2 - только кодом ВТ (в перспективе планируется добавить и код СТ). Каждый спутник работает на собственных частотах. Разделение сигналов частотное.__

В ГЛОНАСС навигационное сообщение формируется в виде непрерывно следующих строк. Длительность строки 2 с. В первой строке (1,7 с) передаются навигационные данные, во второй (0,3 с) - метка времени. Группа из 15 строк объединена в кадр длительностью 30 с. Пять кадров образуют cynepкaдp длительностью 2,5 мин. Передаваемая информация подразделяется на оперативную и неоперативную. Оперативная информация, первые четыре строки в кадре, содержит оцифровку меток времени КА, сдвиг шкалы времени КА относительно времени системы, отличие несущей частоты от номинала, эфемериды КА с геоцентрическими координатами и производными координат спyrника. Неоперативная информация (альманах) включает в себя данные о шкале времени системы, шкале времени каждого спyrника, данные об элементах орбит и техническом состоянии всех спyrников. В каждом кадре передается полный объем оперативной информации и часть альманаха. Полный альманах содержится в суперкадре. Обновление информации происходит быстро - за 2,5 мин против 12,5 мин в GPS.