od Pro určení polohových informací se v systému GPS využívá družicových signálů, resp. přesných kmitočtových a časových informací, které jsou fázově modulovány na nosné frekvenci, jejíž kmitočet je udržován soustavou palubních oscilátorů s velmi vysokou relativní přesností. Stabilita atomových hodin na palubě družic bloku II (IIA) je 10-13 až 10-14 a u družic bloku IIR se stabilitou 10-14 až 10-15. Pro přenos těchto informací je použita technologie „rozprostřeného spektra“, která byla zvolena ze dvou hlavních důvodů:
- Utajení přenosu pro neautorizované uživatele.
- Zvýšení odolnosti komunikační části systému proti úmyslnému rušení.
K přenosu informací se používají dvě nosné frekvence v L-pásmu, označené jako L1 a L2 (o modernizaci systému GPS bude pojednáno v jiné části), které jsou odvozeny ze základní frekvence f0 = 10,23 MHz součinem 154, respektive 120:
[center]L1 = 154 f0 = f1 = 1 575,42 MHz, což odpovídá vlnové délce 19,0 cm,
L2 = 120 f0 = f2 = 1 227,60 MHz, což odpovídá vlnové délce 24,2 cm.[/center]
Frekvence f1 je fázově modulována tzv. C/A-kódem, P-kódem a navigační zprávou a tvoří signál L1. Frekvence f2 je fázově modulována P-kódem a navigační zprávou a představuje signál L2.
[center]
Obr. 1. Struktura družicového signálu.[/center]
Poznámka: Dvě frekvence umožňují eliminovat jeden z největších zdrojů chyb – ionosférické zpoždění.
Pro určení tranzitního času signálu od družice k anténě přijímače, z něhož se odvozuje pseudovzdálenost, se využívají dva pseudonáhodné kódy (PRN – Pseudorandom noise), které jsou modulovány na nosné a jsou označovány jako C/A-kód a P-kód. Oba kódy jsou v podstatě posloupnosti hodnot +1 a -1 a mají „pseudonáhodný“ charakter. Kdykoliv se znaménková hodnota kódu změní, nastane změna fáze nosné vlny o 180°. Pseudonáhodná sekvence může připomínat náhodou posloupnost, přesto je vygenerována podle přesně stanoveného matematického algoritmu.
[center]
Obr. 2. Binární fázové klíčování nosné vlny.[/center]
Kódy ve vysílání se využívají z těchto důvodů:
- Díky kódům lze jednoznačně identifikovat družice, které vysílají na stejné frekvenci (tzv. kódový multiplex).
- Při stejném odstupu od šumu roste s rychlostí kódu přesnost měření pseudovzdálenosti.
- Modulace nosné těmito kódy představuje přenos rozprostřeným spektrem, které zvyšuje odolnost proti aktivnímu rušení.
- Modulace kódy umožní dekódování signálu pouze těm příjemcům, kteří znají jejich strukturu.
C/A-kód
C/A-kód (Clear Access – „volný přístup“ nebo Coarse Acquisition – „sběr hrubých dat“) je standardní kód signálu GPS přístupný všem uživatelům. Je fázově modulován na frekvenci f1 signálu L1 s taktovací frekvencí 1,023 MHz, což odpovídá vlnové délce 293,1 m. Doba trvání jedné periody C/A-kódu je 1 milisekunda. Pro odlišení jednotlivých družic je k dispozici 32 variant C/A-kódu.
P-kód
Taktovací frekvence P-kódu (Protected – „chráněný“ nebo Precision – „přesný“) je 10,23 MHz, což odpovídá vlnové délce 29,31 m. P-kód je součástí signálu L1 a L2. Perioda P-kódu se opakuje za 267 dní. Z celkové délky P-kódu 2,36.1014 prvků je vybráno 32 variant kódů, jejichž délka je přesně 7 dní. Každá družice tedy vysílá jinou část z celkové délky P-kódu.
Každá z variant P-kódu se vrací do výchozího stavu vždy v noci ze soboty na neděli v 0.00h systémového času. P-kód může být metodou A-S (Anti-Spoofing) zakódován pomocí W-kódu na Y-kód, čímž lze zamezit plnému využití systému GPS. Často se pro označení tohoto kódu používá označení P(Y)-kód.
[center]
Obr. 3. Princip zakódování P-Kódu pomocí W-kódu.[/center]
Oba kódy jsou určeny pro vojenské užití. K vytvoření Y-kódu bylo přistoupeno až poté, co byl P-kód dešifrován. Nahrazení P-kódu Y-kódem se používá pouze v obdobích vážnějších vojenských krizí.
Navigační zpráva
Každá družice vysílá datový řetězec nazývaný navigační zpráva (Navigation Message). Navigační zpráva o obsahu 1 500 bitů je rychlostí 50 bitů za sekundu vysílána každou jednotlivou družicí GPS a je součástí obou signálů L1 a L2. Navigační zpráva obsahuje jednak data vztahující se k dané družici, ale i některé informace o ostatních družicích, např. čas odvysílání zprávy, klíčové slovo pro přístup k P(Y)-kódu, korekci hodin, efemeridy a informaci o technickém stavu jak vysílající družice, tak i ostatních družic, almanach, model ionosféry a koeficienty pro výpočet času UTC.
Kompletní zpráva obsahuje 25 rámců (Frame). Každý rámec obsahuje 1 500 bitů, trvá 30 s a je rozdělen na pět 300bitových podrámců (Subframe). Každý podrámec trvá 6 s a obsahuje deset 30bitových slov (Word). Jedno slovo trvá 0,6 s. Doba vysílání celé navigační zprávy je tedy 12,5 min.
Každý podrámec má 25 možných významů, které nazýváme stránka. Podrámce 1 až 3 mají jednu stránku, tj. v každém rámci se opakují stejné údaje každých 30 s. Podrámce 4 a 5 mají 25 stránek s jiným obsahem, tj. údaje každé stránky se opakují jen jednou v navigační zprávě každých 12,5 minuty.
[center]
Obr. 4. Struktura navigační zprávy.[/center]
Obsah navigační zprávy
Struktura a obsah rámců navigační zprávy je zobrazena na obrázku č. 5:
[center]
Obr. 5. Struktura a obsah rámců navigační zprávy.[/center]
Každý podrámec začíná slovy TLM (Telemetry Word) a HOW (Handover Word), které mají stejný význam v každém podrámci.
TLM obsahuje synchronizační slovo a některé diagnostické zprávy řídicího segmentu.
HOW obsahuje identifikaci podrámce a pořadí následujícího podrámce od počátku GPS-týdne.
První podrámec obsahuje číslo GPS-týdne, předpověď přesnosti určení pseudovzdálenosti (URA), indikátor zdraví družice, koeficienty pro modelování korekcí palubních hodin příslušné družice ap.
Druhý a třetí podrámec obsahují palubní efemeridy vysílající družice. Z těchto efemerid se pak počítá poloha družice.
Čtvrtý i pátý podrámec obsahují 25 stránek. Tyto stránky jsou obsahem stejné u všech družic. Část stránek 4. podrámce je rezervována pro vojenské využití. Ostatní stránky tohoto podrámce obsahují informace o ionosféře, almanach (předpokládané efemeridy všech družic) a některé další údaje. Stránky 5. podrámce obsahují hlavně almanach a zdravotní stav družic.
Modulace signálu
Nosné signály jsou modulovány příslušnými kódy, do nichž jsou vloženy navigační zprávy. Pro modulaci nosné se používá tzv. binární fázové klíčování BPSK (Binary Phase-Shift Keying), kdy při každé změně binárního čísla se mění fáze nosné o 180° (viz obr.č. 2).
Schéma modulace družicových signálů je znázorněno na následujícím obrázku:
[center]
Obr. 6. Schéma modulace nosné vlny.[/center]
Nosná vlna L1 je modulována C/A a P(Y)-kódem společně s navigační zprávou. Protože vysílání všech kódů je synchronizováno (začínají ve stejný okamžik, ale mají různou délku), nebylo by jejich „navrstvení“ jednoznačné. Proto je nosná vlna pomocí fázového děliče rozdělena na dvě složky, z nichž jedna je elektronicky fázově posunuta o 90°. Normální složka je modulována P(Y)-kódem a posunutá složka C/A kódem.
Nosná vlna L2 je modulována P(Y)-kódem společně s navigační zprávou.
Modulace binárním fázovým klíčováním „rozprostírá“ signál na šířku pásma kódu. Výsledkem je symetricky rozprostřený signál kolem nosných L1 a L2.
C/A-kód „rozprostírá“ signál L1 o šířku pásma 2,046 MHz se středem 1 575,42 MHz.
P(Y)-kód „rozprostírá“ signály L1 a L2 o šířku pásma 20,46 MHz se středem 1 575,42 MHz na L1 a 1 227,60 MHz na L2.
Frekvenční spektra signálů L1 a L2 jsou na obr. 7. Složka C/A-kódu signálu L1 má výkon –160 dBW, P(Y)-kód na L1 má výkon –163 dBW a P(Y)-kód na L2 má výkon –166 dBW.
[center]
Obr. 7. Frekvenční spektra signálů GPS.[/center]
Zpracování přijatého signálu
Pro určení pseudovzdálenosti mezi družicí a anténou přijímače je nutné signál přijatý z družice zpracovat, tj. získat tranzitní čas signálu, navigační zprávu, případně rekonstruovanou nosnou vlnu pro fázová měření. Ke zpracování přijatého signálu se nejčastěji používá kódová korelační technika. Tato technika poskytuje všechny složky družicového signálu: určení času vyslání signálu, navigační zprávu a rekonstruovanou nosnou vlnu. Nevýhodou této techniky je, že potřebujeme znát alespoň jeden PRN kód. Zpracování signálu pomocí korelační techniky můžeme rozdělit do několika kroků:
- Přijímač generuje referenční nosnou vlnu, jež je modulována replikou známého kódu.
- Výsledný referenční signál je korelován s přijatým družicovým signálem. Signály jsou vůči sobě posouvány (s přesně definovaným časovým krokem) tak, aby se oba optimálně shodovaly - byly maximálně korelovány. Tím můžeme získat časový posun, jenž odpovídá tranzitnímu času průchodu signálu mezi anténou družice a fázovým centrem antény přijímače (při zanedbání chyb hodin). Tento proces je znázorněn na obrázku č.8., kde je hledaný tranzitní čas označen Δt. Veličina dt představuje odchylku hodin přijímače vůči hodinám družice.
- Po odstranění PRN kódu přijatý signál obsahuje ještě navigační zprávu, která může být dekódována a eliminována hornofrekvenčním filtrem. Tím získáme nosnou vlnu, která je vlivem pohybu družice dopplerovsky posunuta a kterou můžeme využít k fázovým měřením.
Obr. 8. Princip kódové korelační techniky.[/center]
Protože musíme znát PRN kód, kódová korelační technika je obecně použitelná jen s přístupným C/A-kódem. A protože C/A-kódem je modulována jen nosná vlna L1, uvedeným způsobem můžeme rekonstruovat jen L1. Nosnou vlnu L2 můžeme rekonstruovat, pokud budeme mít přístup k P(Y)-kódu.
Pokud nemáme přístup k P(Y)-kódu, můžeme pro rekonstrukci nosné vlny použít některou z tzv. bezkódových technik, například kvadrátování (squaring), techniku vzájemné korelace (cross-correlation), kombinaci kódové korelace a kvadrátování a další.
Tento text přísluší serveru http://www.path.cz
Zdroj: gpsworld.com, ngs.noaa.gov, kowoma.de, offline JANUS P., PETERA V.
Zdroj obrázků: č.1,3: path.cz; č.2, 4, 5, 6, 7, 8: offline JANUS P., PETERA V.
Další informace:
http://comp.uark.edu/~mattioli/geol_4733/GPS_signals.ppt
http://www.mitrecaasd.org/library/documents/gps_l5_signal.pdf
http://www.navcen.uscg.gov/cgsic/meetings/summaryrpts/33rdmeeting/Presentations/Shaw.ppt
http://www.atnf.csiro.au/intmit/conf/papers/trinkle/sld003.htm
