Fale radiowe.
(krótka charakterystyka w kontekście pracy systemu GPS)
Fale radiowe to fale elektromagnetyczne, przedstawiane jako zwiÄ…zane ze
sobÄ… zmiany pola magnetycznego H i elektrycznego E. Pole magnetyczne i
elektryczne opisują równania Maxwella:


"B
nds pierwsze prawo Maxwella
+"Edl = -+"+"
"t
l s
Pola te zmieniają się okresowo w funkcji czasu. Zmiana natężenia E pola
elektrycznego w funkcji czasu t może być opisana wzorem:
E = Asin(Ét -Ć)
Rys. 1. W fali radiowej wektory pól elektrycznego i magnetycznego są
wzajemnie prostopadłe i prostopadłe do kierunku rozchodzenia się fali (a).
Polaryzacja kołowa prawoskrętna (b).
Położenie kierunku zmian pola elektromagnetycznego względem kierunku
rozchodzenia siÄ™ fali nazywane jest polaryzacjÄ… fali. Na rys. 1 (b) pokazano
falę radiową spolaryzowaną kołowo, prawoskrętnie. Polaryzacja taka
występuje w GPS.
Polaryzacja (inaczej uporzÄ…dkowanie) cecha fali poprzecznej
(mechanicznej lub elektromagnetycznej) polegająca na tym, że drgania
odbywają się tylko w jednej płaszczyz
nie drgań prostopadłej do kierunku
ruchu fali.
" W fali niespolaryzowanej drgania odbywają się w różnych
kierunkach.
" Jeżeli większość drgań odbywa się w jednej płaszczyz
nie, to mówimy
o polaryzacji częściowej.
" Dla fali podłużnej drgania odbywają się w kierunku rozchodzenia się
fali, dlatego fala ta nie ma polaryzacji.
1. Fale. podłużne, w których drgania odbywają się równolegle do tego
kierunku (np. f. dz
więkowe w gazach).
2. Fale poprzeczne, w których drgania zachodzą prostopadle do tego
kierunku (np. f. w strunach). F. poprzeczne nazywane sÄ…
spolaryzowanymi, gdy drgania są uporządkowane w pewien sposób; np.
fala poprzeczna, w której drgania zachodzą w jednej płaszczyz
nie, nosi
nazwÄ™ f. spolaryzowanej liniowo. F. dzieli siÄ™ na nieokresowe i okresowe.
Modulacja
Przesyłanie informacji za pomocą fal radiowych polega na zmianie
wybranego parametru fali nazywanej modulacją. Zmieniane mogą być: A -
amplituda sygnaÅ‚u (modulacja amplitudowa), É- czÄ™stość koÅ‚owa [rad/s]
(modulacja częstotliwości), Ć - przesunięcie fazowe [rad] (modulacja
fazowa).
Modulacja fal radiowych przy transmisji impulsowej.
Zmiany parametrów fali mogą być wywoływane w sposób ciągły lub jako
grupy impulsów - ten drugi sposób stosowany jest w GPS.
2Ä„
É = 2Ä„f =
związek częstości kołowej z częstotliwością
T
1 c
f = =
T 
Fale radiowe  podział
1. kilometrowe,
2. hektometrowe
3. dekametrowe
4. metrowe
5. decymetrowe
6. centymetrowe
7. milimetrowe
Kodowanie sygnału GPS.
1. Kodowaniem sygnału nazywa się modulowanie fali nośnej.
2. Sygnał GPS przekazywany jest w wyniku modulacji impulsowej.
3. Na częstotliwość podstawową fali nośnej nakładany jest ciąg
impulsów złożony z sekwencji  zer" i  jedynek".
W sygnałach GPS zmianę wartości impulsu otrzymuje się przez odwrócenie
fazy fali nośnej.
Zalety modulacji impulsowej:
" Możliwość transmisji sygnałów wszystkich satelitów na tych samych
częstotliwościach fali nośnej
" Ułatwia odczytanie informacji z sygnałów bardzo słabych.
" Sygnały satelitów kodowane impulsowo są odporne na celowe
zakłócenia oraz celowe zniekształcenia.
Kodem transmisji nazywany jest nadawany przez satelitę ciąg impulsów zero-
jedynkowych, tworzony na podstawie znanych  przepisów". W GPS są to ciągi
liczb pseudolosowych (ang. PRN  Pseudorandom Noise) wyznaczane na
podstawie wzorów Golda. (jednego z rodziny 1023 ciągów psudolosowych)
Sposób przesyłania informacji w systemie GPS
" Każdy satelita nadaje inną, przypisaną mu część tego samego ciągu
liczb pseudolosowych, nazywanÄ… odcinkiem kodu.
" Odcinki kodu mają identyczne długości. Odcinki te są nieskorelowane
i ortogonalne, to znaczy dobrane zostały tak, aby ograniczyć
interferencję sygnałów różnych satelitów, mimo że są one nadawane
na tej samej częstotliwości.
Rodzaje kodów GPS
W GPS stosowane są trzy sposoby kodowania sygnałów nazywane kodami
lub trybami pracy (ang. code):
" kod C/A,
" kod P
" kod Y stosowany razem z kodem P, oznaczany także jako P(Y).
Kody te różnią się wzorami, na podstawie których tworzone są ciągi liczb
pseudolosowych oraz szybkością nadawania tych ciągów.
" Kod C/A (ang. coarse acÄ…uisitiori) jest nadawany tylko w kanale L1.
" Kody P (ang. j precise) oraz Y nadawane są na obu kanałach L1 i L2.
" Oprócz tego na sygnał każdego satelity nałożona jest informacja w
postaci depeszy satelitarnej.
Gwarantowana w specyfikacji systemu minimalna moc sygnału
docierającego do odbiornika wynosi: 160 dBW dla kanału L1 kod C/A, 163
dBW dla kanału L1 kod P, 166 dBW dla kanału L2 kod P.
Sposób modulacji sygnałów i depeszy nawigacyjnej dla obu kanałów
transmisji GPS. Informacje depeszy nawigacyjnej oraz kody P i Y
nadawane są na dwu częstotliwościach L1 i L2, kod C/A nadawany jest
tylko na jednej częstotliwości L1
Moc sygnału GPS docierającego do odbiornika jest zazwyczaj mniejsza od
mocy zakłóceń pochodzących z otoczenia oraz zakłóceń własnych
( szumów") odbiornika. Aby umożliwić wyodrębnienie kodu
pseudolosowego zastosowano transmisję sygnału w formie widma
rozproszonego (ang. spread spectrum). Sygnał satelity jest  rozmywany",
to znaczy że jest rozkładany na pewien zakres częstotliwości. W odbiorniku
następuje proces odwrotny,  odczytania" tego rozmytego sygnału.
Kodowanie informacji w systemie GPS. (Kanały transmisji)
Częstotliwość fali nośnej, na której nadawana jest informacja nawigacyjna GPS,
wynika z powielenia częstotliwości podstawowej f = 10,23 MHz. Sygnały
satelitów transmitowane są na dwu kanałach oznaczonych LI i L2 o
częstotliwościach nośnych L1 = 154f = 1575,42 MHz i L2 = 120f = 1227,60
MHz. Takie częstotliwości fali nośnej pozwalają na pomiar odległości z
rozdzielczością ułamka długości fali
" Wybór wysokich częstotliwości transmisji podyktowany był także
tym, iż nie wymagają one dużych mocy sygnałów, a anteny
odbiornika i nadajnika majÄ… niewielkie wymiary.
" Zastosowanie dwu kanałów transmisji ma na celu umożliwienie
wyliczenia aktualnych poprawek na zniekształcenie (refrakcję)
sygnałów satelitów w jonosferze, co znacznie zwiększa dokładność
pomiaru
Kod C/A (ang. coarse acąuisition) jest ogólnie dostępnym kodem
nadawanym tylko na częstotliwości L1. Długość odcinka ciągu
pseudolosowego wynosi 1023 bitów transmitowanych z szybkością l ,023
Mbit/s. Sekwencja powtórzenia kodu 1 ms.
Jeżeli błąd porównania (korelacji) kodów odbieranego i wytworzonego w
odbiorniku wynosiłby l bit, odpowiadałoby to błędowi pomiaru czasu przebiegu
sygnału (jedna milionowa część sekundy). Przy prędkości fali 300000 km/s
powodowałoby to błąd pomiaru odległości (a więc i pozycji) ok. 300 m. Jest to
dokładność mniejsza od deklarowanej w specyfikacji systemu. Jednak, jak
wykazano w praktyce, możliwe jest osiąganie w kodzie C/A znacznie większych
dokładności pozycji. Rzeczywisty błąd pomiaru szacowany jest na 20... 30 m, a
nawet lepiej.
Kod P (ang. precision, proteced), podobnie jak kod C/A, jest ciÄ…giem liczb
pseudolosowych pochodzących z tej samej rodziny ciągów Golda, jednak
korzystać i niego mogą tylko uprawnieni,  autoryzowani" użytkownicy, do
których należą m.in. siły zbrojne USA i NATO. Autoryzacji udziela
przedstawiciel właściciela systemu.
Długość odcinka kodu P wynosi 7 dni i stanowi przypisaną danemu satelicie
część trwającej 267 dni sekwencji ciągu liczb pseudolosowych. Tak długi
odcinek kodu uniemożliwia jego rozszyfrowanie przez użytkowników nie
mających autoryzacji. Rozpoczęcie powtarzania sekwencji kodu we wszystkich
satelitach jednocześnie następuje co tydzień, w nocy z soboty na niedzielę.
Szybkość transmisji kodu P wynosi 10,23 Mbit/s, a więc jeden bit informacji
trwa dziesięć razy krócej niż w kodzie C/A. Stąd potencjalna dokładność
wyznaczania pozycji (przy błędzie l bitu) jest 10 razy większa, niż w kodzie
C/A. Kod P nadawany jest na dwu kanałach L1 i L2, co pozwala na obliczenie
w czasie rzeczywistym błędów wynikających z przejścia sygnału przez
jonosferÄ™.
Kod P(Y) określanym niekiedy terminem  anti-spoofing" nadawany jest w
sytuacjach szczególnych, w celu dodatkowego zapobiegania intencjonalnym
próbom zakłócenia pracy urządzeń GPS. Jest to szyfrowany ciąg liczb
nakładany na kod P jako dodatkowa modulacja o częstotliwości około 0,5 Hz.
Serwisy dokładności
Kodowanie i szyfrowanie sygnałów sprawia, że system GPS zapewnia dwa
poziomy określania dokładności wyznaczania pozycji:
" Standardowy Serwis Pozycyjny (SPS - Standard Positioning Seryice),
" Precyzyjny Serwis Pozycyjny (PPS - Precise Positioning Service).
Standardowy Serwis Pozycyjny oparty o kod C/A dostarcza ogólnie
dostępnych informacji nawigacyjnych i jest przeznaczony głównie dla
użytkowników cywilnych.
" Możliwe jest wyznaczenie pozycji z dokładnością do 100 metrów (z
prawdopodobieństwem 95%, 2D) dla pomiarów dwuwymiarowych i
156 metrów (z prawdopodobieństwem 95%, 3D) dla pomiarów
trójwymiarowych.
" Z prawdopodobieństwem 99,5% pozycja wyznaczana jest z
dokładnością 300 m.
" Błąd wyznaczania czasu w stosunku do czasu UTC (USNO) określony
jest jako nie większy niż 337 ns (z prawdopodobieństwem 95%).
Segment nadzoru systemu GPS ma możliwość celowego wprowadzenia
zaburzeń w sygnale transmitowanym przez satelity, nazywaną
ograniczeniem dostępu S/A (Selected Availibility). Jest to główne z
ródło
błędów pozycji w serwisie SPS. Wprowadzane zaburzenia, dotyczące
zarówno informacji nawigacyjnej, jak też kodowania sygnału,.
Dwa czynniki zakłócajace:
" Proces µ (epsilon) - wartoÅ›ci parametrów efemeryd (orbit satelitów)
zmieniane sÄ… okresowo, co w odbiorniku interpretowane jest jako
zmiana położenia satelity; wywoływany w ten sposób błąd pomiaru
ma amplitudę do 100 m i okres rzędu godziny.
" Proces ´ (delta) - zaburzana jest informacja o czÄ™stotliwoÅ›ci zegara
satelity, co powoduje błędy w określaniu momentu transmisji sygnału
Cechy charakterystyczne systemu zakłóceń aktywnych S.A.
" Rozkład wprowadzanych błędów wyznaczenia pozycji jest zbliżony
do rozkładu normalnego z długookresową średnią równą zeru.
" Zaburzenia S/A tworzone są indywidualnie dla każdego satelity i nie
sÄ… ze sobÄ… skorelowane.
" W różny sposób wpływają na błędy wyznaczanych pozycji, co może
mieć istotny wpływ na błąd DOP.
" Dlatego trudno jest symulować ten proces
Precyzyjny serwis pozycyjny PSP oparty o kod P, przeznaczony głównie do
celów wojskowych, dostępny jest tylko dla autoryzowanych użytkowników,
do których należą m.in. Siły Zbrojne USA i NATO. O autoryzacji
użytkownika decyduje Departament Obrony USA.
Serwis PPS dostarcza informacji o pozycji z błędem nie większym niż 16
metrów (z prawdopodobieństwem 50%, 3D) i informacji o czasie z błędem
nie większym niż 90 nanosekund (z prawdopodobieństwem 95%, l sigma) w
stosunku do czasu UTC.
Wprowadzając kodowanie sygnałów spełniono kolejne wymagania
odporności systemu na celowe zakłócenia (ang. jamming) oraz odporności
na celowe zniekształcenia (ang. spoofing)
Proces pomiaru GPS.
Konieczne warunki do obliczenia pozycji w odbiorniku:
" odebranie sygnałów z odpowiedniej liczby satelitów,
" identyfikacja każdego satelity,
" określenie położenia satelitów w chwili nadania sygnału,
" pomiar czasu przebiegu sygnałów od satelitów do odbiornika,
" obliczenie odległości odbiornika od każdego satelity,
" rozwiązania równań pozycji.
Identyfikacja satelity poprzedza przetwarzanie jego sygnałów.
Podstawą identyfikacji każdego satelity jest ciąg liczb stanowiący odcinek
nadawanego przez niego kodu pseudolosowego.
Każdy satelita transmituje przypisany mu odcinek kodu pseudolosowego
C/A, oznaczony jako PRN z odpowiednim numerem, np. PRN04.
W odbiorniku GPS tworzone są repliki odcinków kodu, a więc takie same
ciÄ…gi liczb, jakie nadajÄ… satelity.
Sprawdzana jest zgodność ciągów liczb generowanych w odbiorniku z
odbieranymi z satelity, a więc sprawdzany jest stopień korelacji obu
odcinków kodu.
Brak korelacji. Kody różne
Częściowa korelacja
Pełna korelacja kodów pseudolosowych.
Wyznaczenie odcinka czasu przebiegu sygnału od satelity do odbiornika
wymaga określenia chwili nadania sygnału przez satelitę i chwili jego
odbioru w odbiorniku.
Po uzyskaniu korelacji kodów (generowanego w odbiorniku i odbieranego z
satelity), na podstawie zegara odbiornika wyznaczana jest chwila, w której
sygnał dotarł do odbiornika.
Czasy transmisji odcinków kodu związane są ściśle z numerem tygodnia i
czasem tygodnia (epokÄ…) podawanymi w pierwszej ramce depeszy
nawigacyjnej. Na tej podstawie wyznaczana jest chwila nadania sygnału
przez satelitÄ™.
Zmierzony odcinek czasu korygowany jest przez uwzględnienie poprawki
na błędy zegarów satelitów (ramka 5 - czas w GPS) oraz poprawki na
zniekształcenie sygnału w atmosferze.
Odległość satelity do odbiornika
Odległość jest obliczana w wyniku mnożenia wyznaczonego czasu przebiegu
sygnału na trasie satelita - antena odbiornika przez prędkość światła. Tak
obliczona odległość nazywana jest pseudoodleglością.
Stosowane są dwie podstawowe metody pomiaru pseudoodległości:
1. Pierwsza, najczęściej wykorzystywana jest korelacja odcinków kodu
pseudolosowego, dlatego metoda ta nazywana jest metodÄ… kodowÄ….
2. W drugiej metodzie, po osiągnięciu korelacji kodu, następuje
korelacja fali nośnej. Pomiar pseudoodległości dokonywany jest z
dokładnością ułamka długości fali nośnej, dlatego metoda ta
nazywana jest metodÄ… fazowÄ…
Pomiar kodowy
Czasu przebiegu sygnału od satelity do odbiornika jest oparta na
wykorzystaniu korelacji kodów pseudołosowych odbiornika i satelity
Czas nadawania bitu kodu C/A wynosi l ms, a więc maksymalny błąd
pseudoodległości to ok. 300 m.
Odcinek kodu P jest dziesięć razy krótszy, a więc błąd także będzie dziesięć
razy mniejszy. Zgubienie bitu odcinka kodu jest mało prawdopodobne,
zazwyczaj błąd wynika z dokładności korelacji repliki oraz sygnału satelity i
zależy od klasy odbiornika (zarówno obwodów elektronicznych jak też
oprogramowania). W średniej klasy odbiornikach dokładność korelacji
wynosi ok. 1% długości bitu kodu, a w odbiornikach wyższej klasy dla kodu P
osiągane są wartości błędu korelacji 0,1%.
Typowa dokładność pomiaru z użyciem kodu C/A wynosi 3...30 metrów, a z
użyciem kodu P  0,3...3metrów. Odbiorniki korygują pomiar
pseudoodległości w oparciu o pomiar scałkowanej fazy fali nośnej.
Pomiar fazowy.
W metodzie fazowej do wyznaczania czasu przebiegu sygnału jest
wykorzystywana korelacja przebiegu fali nośnej satelity.
W odbiorniku GPS jest generowany sygnał identyczny z falą nośną
satelitów. Może on być wykorzystany do pomiaru pseudoodległości satelity
na podobnej zasadzie jak kod pseudolosowy - mierzone jest ile całkowitych
i jaki ułamek długości fali (przesunięcie fazowe) zmieści się między satelitą i
odbiornikiem:
Pomiar pseudoodległości z wykorzystaniem pomiaru przesunięcia fazowego
fali nośnej (ang. carrier phase) nazywane są w skrócie - metodami
fazowymi.
Metody fazowe wymagają stosowania bardzo dokładnych zegarów
odbiornika i specjalnych technik przetwarzania sygnałów
Najważniejsze zadania pomiarowe:
" wyznaczenie ile całkowitych długości fali mieści się w odległości do
satelity
" określenie przesunięcia fazowego fali nośnej.
Typowa dokładność tego pomiaru jest rzędu 1 mm. Pomiar fazy
charakteryzuje się nieoznaczonością o wielkości równej długości fali nośnej
około 19cm. Gdy zastosowane rozwiązanie techniczne nie pozwala na
bezpośrednie wyodrębnienie fali nośnej z uwagi na system "Anti -
Spoofing", pomiar fazy na częstotliwości L1 charakteryzować się może
nieoznaczonością 1/2 długości fali i zazwyczaj obarczony jest dodatkowymi
błędami
Organizacja danych przesyłanych z satelity GPS  depesza satelitarna
Treść depeszy nawigacyjnej zawiera między innymi:
" Almanach - dane dotyczÄ…ce aktualnego stanu systemu, w tym
przybliżone elementy orbitalne wszystkich satelitów, których
znajomość przyśpiesza proces akwizycji,
" Efemerydę - dokładne elementy orbitalne satelity nadającego
depeszę, niezbędne do wyznaczania czasu i pozycji.
Depesza nawigacyjna nałożona jest na kod P i kod C/A. Szybkość transmisji
wynosi 50 bitów na sekundę. Dane depeszy nawigacyjnej uaktualniane są co
cztery godziny
W obu kodach C/A i P na sygnał satelity nałożona jest depesze
nawigacyjna, która pozwala na:
" identyfikację i wyznaczenie położenia satelity nadającego odbierany
sygnał, określenie czasu wysłania sygnału, ustalenie czasu systemu
GPS;
" określenie konfiguracji całego systemu na podstawie informacji
dotyczących wszystkich satelitów.
Depesza satelitarna ( pełen zakres ) jest przesyłana w ciągu 12,5 minuty i
zawiera 37 500 bitów informacji. Komplet informacji jest zawarty w
powtórzonej 25 razy jednostce podstawowej depeszy, trwającej 30 sekund
.Jednostka podstawowa depeszy jest podzielona na pięć podzakresów, z
których każdy zawiera 10 słów.
Słowo informacyjne składa się z 30 bitów, z których każdy trwa 0,02 sek
" Pierwsze trzy podzakresy zawierajÄ… informacje dotyczÄ…ce orbity
danego satelity.
" Pozostałe dwa podzakresy zawierają informacje umożliwiające
obliczenie czasu UTC, poprawek jonosferycznych oraz almanach
systemu GPS, to jest informacje o pozostałych satelitach
Informacje zawarte w podzbiorach 4 i 5 sÄ… zawarte w tzw. stronach
ponumerowanych od 1 do 25  dotyczą one wszystkich satelitów i są takie
same w depeszy każdego satelity.
Każdy podzakres rozpoczyna się od dwóch ważnych słów TLM (Telemetry)
i HOW (Handover Words). Oba te słowa są generowane na pokładzie
satelity
TLM pozwala na identyfikację satelity oraz synchronizację ciągów
losowych satelity i odbiornika. Informacje telemetryczne zawierajÄ…
przyporzÄ…dkowany czasowi, status depeszy nawigacyjnej, dane
diagnostyczne oraz inne informacje
Następne słowo (HOW) umożliwia dostrojenie sygnałów odbiornika do
nadawanych przez satelitę, rozpoznanie kodów pseudolosowych, oraz
przejście od odbioru kodu C/A do kodu P. Zawarty jest numer tygodnia
GPS.
Zawartość depeszy satelitarnej podzielona jest na pięć
podzakresów:
Pozakres 1 zawiera:
słowa TLM i HOW, numer tygodnia GPS, status i  zdrowie satelity
parametry: TGD, toc, AODC, af2 ,af2 ,af0,
Znaczenia poszczególnych parametrów są następujące:
" numer tygodnia GPS, liczony od 6.I.1981 r z piÄ…tku na sobotÄ™,
 zdrowie satelity  określa chwilową przydatność satelity w systemie
GPS (0-dane są dobre, 1  część danych lub wszystkie są złe),
" tOC  czas transmisji depeszy wyrażony w sekundach tygodnia GPS,
" TGD  opóz
nienie grupowe ( wyrażona w nanosekundach różnica
opóz
nień grupowych fal nośnych L1 i L2  w zenicie).
" AODC  (Age of Data Control) = tOC-tOL (różnica między czasem
odniesienia danych podzakresu 1 a czasem ostatniego wprowadzenia
tych danych do satelity).
" af2 ,af2 ,af0  współczynniki wielomianu opisującego poprawkę
zegara.
Podzakres 2 i 3:
" każdy z nich zawiera słowa początkowe TLM i HOW, następnie
kolejno parametry orbity danego satelity i współczynniki
umożliwiające obliczenie dokładnych współrzędnych X,Y,Z satelity w
momencie obserwacji.
Podzakresy 4 i 5 , powtarzane 25 razy (na tzw. 25 stronach).
Podzakres 4:
" wykorzystuje tylko 10 z całego 25 stronicowego zbioru.
" Strony 2,3,4,5,7,8,9,10 zawierają, oprócz początkowych słów TLM i
HOW, informacje o almanachu 8 satelitów powyżej 24 ( jeżeli w
konstelacji znajduje się więcej niż 24 satelity, to od 24 do 32).
" Na stronie 18 podane sÄ… parametry jonosferyczne i zwiÄ…zane z czasem
UTC Na stronie 25 sÄ… umieszczone znaczniki informujÄ…ce o
uruchomieniu dla poszczególnych satelitów A-S ( Anti  Spoofing),
oraz informacje o statusie sprawności satelitów 24 w konstelacji (od
24 do 32). Na każdej z 25 stron podzakresu 4 znajdują się początkowe
słowa TLM i HOW.
Podzakres 5:
" zawiera na stronach 1-24 almanach dla satelitów 1-24, na stronie 25
informacje o  zdrowiu satelitów 1-24, czas odniesienia almanachu
oraz tydzień odniesienia almanachu.
Budowa i działanie odbiornika
Aby można było wyznaczyć pozycję, odbiornik GPS musi stale odbierać i
śledzić sygnały satelitarne (tzn. mierzyć pseudoodległości i przyrosty
pseudoodległości) oraz kolekcjonować depesze nawigacyjną
" Oscylator kwarcowy stanowi wzorzec czasu i częstotliwości.
" Generator ciągów losowych (generator repliki ciągu pseudolosowego),
którymi modulowane są sygnały nadawane przez satelity GPS
Generator ciągów losowych wraz z blokiem porównania sygnałów
(korelatorem) tworzy pętlę śledzenia opóz
nienia sygnału wynikającego z
czasu przejścia sygnału od satelity do odbiornika
W bloku korelatora sygnał odebrany z satelity porównywany jest z
replikami kodów generowanymi w odbiorniku i w ten sposób wyznaczane
jest opóz
nienie czasowe sygnału. Opóz
nienie to jest następnie
wykorzystywane do sterowania generacjÄ… repliki kodu satelity w trybie
śledzenia sygnału danego satelity
Schemat funkcjonalny odbiornika GPS
Antena GPS jest anteną pasywną o charakterystyce obejmującej cała sferę
niebieskÄ….
Blok przedwzmacniacza
" Zawiera zabezpieczenia przed uszkodzeniem odbiornika (np. na
skutek wyładowań atmosferycznych), wzmacniacz niskoszumowy
sygnałów z anteny oraz filtr odcinający częstotliwości inne niż fali
nośnej GPS
" zadaniem tego bloku jest podwyższenie wartości stosunku sygnału do
szumów własnych odbiornika, oraz ograniczenie sygnałów o innych
częstotliwościach niż fala nośna
Oscylator stanowi wzorzec częstotliwości odbiornika, a więc także wzorzec
czasu odbiornika.
Syntezator częstotliwości
" przekształca sygnał wyjściowy oscylatora na sygnały lokalnych
oscylatorów ( przy odbiornikach wielokanałowych). Ważnym
parametrem syntezatora jest możliwość minimalizacji szumów
generowanych przez sam syntezator
Mieszacz czyli lokalny oscylator ( jeden lub więcej)
" zamienia wejściowe częstotliwości radiowe na sygnały o częstotliwości
pośredniej
Sekcja częstotliwości pośredniej
" eliminuje sygnały wielotorowe i nakładające się z niepożądanych
zakresów, a tym samym eliminuje interferencje, zwiększa amplitudy
sygnału oraz dokonuje przetworzenie sygnałów z sekcji częstotliwości
pośrednich na sygnały podstawowe
Blok wytwarzania sygnału wyjściowego odczytuje informacje nawigacyjne
z poszczególnych satelitów.
" oddziela sygnał od szumu,
" generuje kod pseudlosowy,
" identyfikuje sygnały z poszczególnych satelitów,
" dopasowuje kod odbiornika do sygnału z satelity,
" odtwarza informacje nawigacyjne,
" wyznacza fazę kodu sygnału z satelity,
" wyznacza pseudoodległości, oraz przesunięcia fazy fali nośnej,
" wyznacza stosunek sygnału do szumu,
Blok formowania sygnału nawigacyjnego steruje sekcją wytwarzania
sygnału wyjściowego, inicjując działanie odbiornika w przypadku utraty
sygnału z satelity oraz wykorzystuje sygnały wyjściowe z bloku
wytwarzania sygnału do:
" wyboru satelitów, których sygnały będą wykorzystane w bloku
wytwarzania sygnału,
" odbioru wyników pomiarów i depesz nawigacyjnych z sekcji
wytwarzania sygnału i przechowania ich w pamięci,
" obliczania pozycji, prędkości i poprawki czasu,
" odbioru i przetworzenia zewnętrznych danych nawigacyjnych,
" rozwiązywania równań pozycji, prędkości i czasu.
Faza akwizycji sygnałów
" określenie przewidywanej konfiguracji satelitów, dopplerowskich
przesunięć częstotliwości,
" wstępne ustawienie częstotliwości generatorów pętli fazowych,
" przesuwanie serii pseudolosowych kodu C/A odpowiadajÄ…cych
wybranym satelitom do momentu uzyskania korelacji z sygnałami
satelitarnymi,
" w momencie wykrycia korelacji włączenie automatycznych
mechanizmów sterujących pętli fazowych i kodowych,
" synchronizacja bitowa sygnałów,
" odbiór efemerydy,
" wyznaczanie pozycji i poprawki czasu zegara odbiornika,
" odbiór almanachu,
Przerwa od momentu włączenia odbiornika do momentu uzyskania
rozwiązania nawigacyjnego nazywamy czasem określenia pierwszej pozycji
(TTF  Time to First Fix) wynosi on kilka lub kilkanaście minut w
przypadku braku informacji niezbędnych do określenia aktualnej
konfiguracji satelitów i skraca się do kilkudziesięciu sekund jeśli te
informacje są znane. Nie może być krótszy od 30 sekund, gdyż tyle trwa
odbiór aktualnej efemerydy