Геодезические спутниковые приёмники

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 развивается и совершенствуется, 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, в применении элементной базы, той или иной степени интеграции. Поэтому далее будут представлены упрощенные концепции общего устройства спутникового приемника.

Несмотря на размеры, цену, назначение или сложность современного приемника, он может быть разделен на пять главных устройств:

• антенна и связанная с ней электроника, радиочастотный блок с контурами слежения, навигационный микропроцессор, блок питания, блок команд и контрольного дисплея. Многие приемники также включают устройства для хранения данных и устройства ввода-вывода данных.

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

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.

а б в

Рис.5.2. 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 полезных форм микрополосковых антенн стали антенны типа choke ring - заглушающее кольцо. Такие антенны особенно эффективны в борьбе с многопутностью сигналов.

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 состоит в следующем: 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. Антеннами, не использующими отсекатель, являются различные виды винтовых спиральных антенн – винтовые (геликальные, рис. 5.2б, в), бифилярные, квадрифиллярные и др. Винтовая антенна состоит 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 радио прозрачной 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 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

Работа радиочастотного блока в GPS/ГЛОНАСС приемнике состоит в переводе радио частоты (РЧ), прибывающей на антенну, к более низкой частоте, называемой 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. 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. 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 передаваемому 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. 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 (PRN), который присутствует в сигнале, приходящем от спутника, с идентичным сигналом, который генерируется в приемнике по тому же самому алгоритму, что и на спутнике 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. Временной сдвиг (иногда называется фазой кода), необходимый для совмещения последовательностей кодов, в принципе, равен времени, необходимому для распространения 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. 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.