Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Техника arrow GPS

Псевдослучайный код - взгляд изнутри

Быть может, вы уже задаёте себе вопрос: «К чему все эти технические премудрости с псевдослучайными кодами? Почему бы не обойтись просто радиосигналом, как это делают телевизионные спутники».

Да уж, концепция псевдослучайного кода действительно отдает кабалистикой, однако, именно она делает GPS практичной н относительно дешевой. Не будет преувеличением сказать, что именно благодаря использованию псевдослучайных кодов становится возможным переход GPS в разряд полезной доступной каждому бытовой техникой.

Мы уже говорили, что псевдослучайный код обеспечивает простой и достаточно надежный метод определения времени прохождения сигнала от спутников до приемника, но это - лишь технический аспект вопроса применения в GPS псевдослучайных кодов.

Не менее важен и экономический аспект для простоты уяснения, которого будет полезно кое-что напомнить. Телевизионные спутники и излучатели сигналов довольно значительной мощности, тем не менее, при приеме этих сигналов на земле необходимо использовать антенны с громоздкими параболическими отражателями, выполняющими предварительную фокусировку телевизионного сигнала. Теперь представьте себе габариты GPS приемников с такими вот огромными тарелками. Кроме того, телевизионные спутники находятся на геостационарных орбитах, следовательно, в небе они неподвижны. Спутники же GPS находятся в непрерывном движении, следовательно, этим самым «тарелкам» необходимо было бы обеспечить возможность отслеживать траектории четырех движущихся спутников - какой-то механический кошмар!

Псевдослучайный код экономит мощность.

Благодаря некоторым хитрым концепциям теории информации, псевдослучайный код избавляет нас от целого ряда неудобств и притом весьма существенных. Сигналы GPS могут быть весьма малыми по мощности, а удовлетворительное качество их приема обеспечивается антеннами, диаметром всего в несколько дюймов. В самом деле, сигналы GPS столь слабы, что практически не различимы на фоне радиошумов.

Все это основано на довольно сложном принципе, однако, в упрощенной форме можно сказать: - фоновые радиошумы представляют собой не что иное, как изменяющуюся случайным образом последовательность электрических импульсов.

По своему виду псевдослучайный код весьма похож на шум. Однако есть одно весьма существенное различие - нам известна исходная структура распределения его импульсов.

Попробуем сравнить отрезок программы псевдослучайного кода с отрезком диаграммы разового шума и выделить на них те области, где характер импульсов кода и фонового шума совпадает.

Разделим сигнал на временные интервалы (в терминологии GPS их принято называть «чипы»), и все периоды совпадения кода и шума обозначим буквой X.

Поскольку изменения обоих сигналов носит случайный характер, опираясь на теорию вероятности, можно утверждать, что половину времени они будут совпадать, а половину времени - нет.

Если теперь мы расставим +1 в тех периода, где сигналы совпадают и --1 в тех периодах, где они не совпадают, то, просуммировав затем все +1 и --1, в результате получим 0, поскольку количество +1 окажется равным количеству -1.

Если GPS спутник передает кодовую последовательность того же вида, как на диаграмме, но, несмотря на малую мощность сигнала, он будет усиливать фоновый шум по схеме, которую мы с нами только что рассмотрели. Если теперь мы начнем сдвигать псевдослучайный код приемника до тех пор, пока он не совпадет с кодом, переданным спутником, мы обнаружим, что наступит момент, когда количество совпадений импульсов кода и шума резко возрастет.

Если теперь мы будем проводить сравнение по все большему числу периодов времени, то заметим, что количество совпадений будет постоянно расти. Чем больше время сравнения, тем большее количество совпадений мы получим, следовательно, тем в большей степени будет проявляться эффект усиления. Мы можем подобрать такое время сравнения, в течение которого получим тысячу совпадений. А поскольку сравнение со случайным фоновым шумом всегда приводит к результату близкому к нулю, подобранное нами время сравнения окажет на сигнал спутника такое же воздействие, как если бы мы увеличили его в тысячу раз.

Такое до предела упрощенное объяснение позволяет лишь обозначить идею основной концепции. Псевдослучайный код дает нам способ очень точного распознавания слабых сигналов. Это означает, что аппаратуре спутников GPS не нужна большая мощность (это значительно снижает ее стоимость) и еще то, что в наземных приемниках можно использовать антенны небольших габаритов.

Почему так работают не все спутники.

Почему же тот же самый принцип не используется в работе телевизионных спутников, и нас вынуждают загромождать всю округу гигантскими тарелками антенн спутникового телевидения? Все дело в том, что сигналы GPS несут чрезвычайно небольшой объем информации. В основном, это лишь метки синхронизации. Телевизионный же сигнал информацией буквально перегружен, или, выражаясь на профессиональном жаргоне связистов, - «имеет широкую полосу пропускания». Принцип применения псевдослучайного кода основан на многократном сравнении сигналов, а сравнение это выполняется достаточно медленно, поэтому, применительно к телевизионному сигналу, выполнять его оказалось бы делом весьма затруднительным, быстродействия систем обработки псевдослучайных кодов недостаточно для обслуживания телевидения.

Псевдослучайный код.

Есть еще целый ряд причин, обусловивших использование в GPS псевдослучайного кода. И одной из них является то, что он обеспечивает Министерству Обороны США возможность контроля доступа к этой спутниковой системе. Даже в мирное время они сохраняют за собой отделенную «исключительность» прав на GPS.

В GPS используются две разновидности псевдослучайных кодов: СА - код и П-код. С/А - код - предназначен для использования в гражданских приемниках. Частота С/А - кода ниже частоты Р - кода, и это порождает мнение, что он обеспечивает менее высокую точность GPS измерений. Р - код может быть зашифрован таким образом, что полный доступ к нему останется только у военных. Кроме того, Р - код практически невозможно глушить.

Министерство Обороны может снижать точность СА - кода, используя специальный режим, получивший название «селективного доступа»(«selective availability») или SA. SА - это весьма действенный метод искусственного снижения точности работы бортовых часов спутников. Под его воздействием в работу системы GPS вносится самая большая составляющая суммарной ошибки.

Еще одним существенным достоинством псевдослучайного кода является то, что он позволяет всем спутникам передавать сигналы на одной частоте, без оказания друг на друга взаимного влияния. Каждый спутник использует свой собственный уникальный код, так что приемнику остается только суметь их различать. Поскольку на всех спутниках установлена передающая аппаратура невысокой мощности, не происходит взаимного подавления сигналов.

Краткие тезисы:

  • * Псевдослучайный код обеспечивает точное совпадение сигналов спутника и приемника в процессе синхронизации.
  • * Псевдослучайный код позволяет системе GPS использовать слабые сигналы и портативные антенны.
  • * Псевдослучайный код предоставляет Министерству Обороны США возможность контролировать доступ к системе.
  • * Псевдослучайный код разрешает использовать единую частоту для передачи сигналов всем спутникам системы.
 
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
< Предыдущая   СОДЕРЖАНИЕ   Следующая >
 
СКАЧАТЬ ОРИГИНАЛ
GPS - Глобальная Навигационная Система