Rádiové signály GPS

Z Wikipedie, otevřené encyklopedie
Skočit na: Navigace, Hledání
Schéma modulace signálu vysílaného družicí GPS

Družice systému GPS vysílají radiové signály, které umožňují uživatelům určovat svou polohu a čas. Původní plán výstavby systému GPS počítal se dvěma různými kódy:

  • C/A kód (Coarse / Acquisition code), který je veřejně dostupný
  • P kód (Precision code), který je přístupný jen autorizovaným uživatelům

a v plánované modernizaci GPS III se připravují:

  • C kód (Civilian code), který bude veřejně dostupný
  • M kód (Military code), který bude přístupný jen autorizovaným uživatelům


Současné a plánované signály[editovat | editovat zdroj]

Pásmo (Frekvence) Modulace na nosnou vlnu Současný stav Plánovaná modernizace
L1 (1575,42 MHz = 10,23 MHz × 154) In-Phase (I) Precision P(Y) kód Precision P(Y) kód
Military (M) kód
Quadra-Phase (Q) Coarse-acquisition (C/A) kód Coarse-acquisition (C/A) kód
L1 Civilian kód
L2 (1227,60 MHz = 10,23 MHz × 120) In-Phase (I) Precision P(Y) kód Precision P(Y) kód
Military (M) kód
Quadra-Phase (Q) L2 Civilian kód
L5 (1176,45 MHz = 10,23 MHz × 115) In-Phase (I) Safety-of-Life (SoL) Pilot signál
Quadra-Phase (Q) Safety-of-Life (SoL) Data signál

Modulace a demodulace[editovat | editovat zdroj]

Fázová modulace na nosnou vlnu metodou BPSK (bez posunu)

Pro přenos bitového toku se používá fázová modulace (PM, Phase Modulation) s binárním klíčováním (BPSK, Binary Phase Shift Keying), tj. jedna nosná vlna nese jeden bit, který je zaznačen změnou fáze nosné vlny o 180 stupňů. Pokud jsou na jednu frekvenci modulovány 2 signály, je druhá modulace BPSK posunuta na nosné vlně cca o 80–100 stupňů. Signál každé družice je před vysíláním modulován pseudonáhodnou posloupností kódů s hodnotami +1 nebo −1, které nazýváme PRN kód (Pseudo Random Noise Code). Protože všechny družice vysílají na stejném kmitočtu, k oddělení jejich signálů se používá metoda CDMA (Code Division Multiple Access) nazývaná také kódový multiplex, kdy každá družice má svůj jedinečný PRN kód. Vysílaný signál je kódem tak rozbit, že vypadá jako šum. Doba trvání periody nosné vlny je řádově 1 ns (10−9s) a je tedy výrazně menší než doba trvání datového bitu 1–10 μs (1-10×10−6s) PRN kódu.

Anténa přijímače zachycuje signál s rozprostřeným spektrem, jehož součástí je také pseudonáhodný generátor s definovanými sekvencemi, který je shodný s generátory na družicích. Použitím DSP (Digitální Signálový Procesor) přijímač provádí korelaci, tj. synchronizaci generátoru v přijímači s generátorem na družici. V přijímači probíhá před vlastní demodulací BPSK nejprve přenásobení přijímaného signálu kódem té družice, jejíž signál chceme demodulovat. Přenásobení způsobí, že signál požadované družice se plně obnoví, protože 1 × 1 = 1 a (−1) × (−1) = 1 a tedy druhým násobením se úplně zruší vliv prvního násobení na družici. Signál jiných družic se díky nekorelovanosti neobnoví a protože vypadá jako šum, je následnými obvody jako šum potlačen.

Současné signály[editovat | editovat zdroj]

C/A kód[editovat | editovat zdroj]

C/A kód je 1 023 bitů dlouhá sekvence čísel PRN (Pseudorandom Number), která je vysílána rychlostí 1,023 Mbit/s, opakuje se tedy každou milisekundu (10-3s).

Každá družice používá jiný kód, celkem 32 pro družice a 5 pro zvláštní užití, přičemž tyto kódy se vybírají z množiny Goldových posloupností. To jsou posloupnosti, které jsou vzájemně málo korelované a přitom vedlejší maxima autokorelační funkce jsou zanedbatelná.

P(Y) kód[editovat | editovat zdroj]

P kód je také PRN kód, přibližné délky 2,35 × 1014 bitů, který je rozdělen na 38 sekvencí, kde 32 je vyhrazeno družicím a 6 rezervováno pro jiné použití. Délka jedné sekvence pro jednu družici je 6,1871 × 1012 bitů a při datové rychlosti 10,23 Mbit/s se opakuje jednou týdně. Velká délka P kódu zajišťuje zvýšenou korelovatelnost a eliminovanou nejednoznačnost.

P(Y) kód je asymetricky šifrovaný P kód. Šifrování se nazývá AntiSpoofing (A-S) a provádí se za účelem ověření pravosti signálu z družic od 31. ledna 1994[1]. Je provedeno modulováním Y kódu P × Y = P(Y), jehož dešifrování mohou provádět pouze autorizovaní uživatelé pomocí W kódu P = P(Y) × W. Detaily Y i W kódu podléhají vojenskému utajení, ale na základě charakteristik signálu je jeho rychlost 511,5kHz (f0=10,23MHz/20) s opakováním 1× týdně [2].

Původně se používal systém PPS-SM(Precise Positioning Service-Security Module), kdy dočasný červený kód (Red key) byl do přístroje zaváděn periodicky na certifikovaném pracovišti. Nový systém SAASM (Selective Availability / Anti-Spoofing Module) který je zaveden od září 2006 používá pro dekryptování černý klíč (Black key), který je obnovován bezdrátovým přenosem. SAASM systém je oproti původnímu PPS-SM postaven tak, aby na počátku výpočtu polohy nebylo nutné používat civilní signál pro stanovení času. Dále má větší odolnost proti rušení a bude nahrazen až M kódem po modernizaci vesmírného segmentu[3].

Navigační zpráva[editovat | editovat zdroj]

Struktura navigační zprávy

Navigační zpráva je modulovaná zvlášť na signál. Skládá se 25 rámců, jejichž odvysílání trvá 12,5 minuty. Každý rámec obsahuje 5 podrámců, které obsahují data:

  • 1. podrámec - číslo týdne v časové referenci GPS, korekce pro atomové hodiny a zdravotní stav dané družice
  • 2. podrámec - efemeridy dané družice 1. část
  • 3. podrámec - efemeridy dané družice 2. část
  • 4. podrámec - almanach a zdravotní stav družic 25-32, data pro ionosférický model, stav vysílání režimu AntiSpoofing
  • 5. podrámec - almanach a zdravotní stav družic 1-24

Podrámec 1., 2. a 3. je obsahově stejný v každém rámci, aktualizuje se po několika hodinách. Podrámec 4. a 5. nese v každém rámci jen 1/25 dat (tzv. stránky), aktualizuje se po několika dnech.

Každý podrámec je dělen do 10 slov, každé po 30 bitech. První slovo je vždy telemetrické (TLM, Telemetry Word) a nese informaci o začátku podrámců. Druhé slovo je předávací (HOW, Handover Word) a obsahuje pořadí podrámce v aktuálním týdnu GPS (7×24×60×2×5=100 800 možných hodnot) a pořadové číslo podrámce v aktuálním rámci. Ostatní slova mají ze 30 bitů informačních jen 24, zbývajících 6 paritních bitů slouží k zabezpečení přenosu kanálového kódování, které se provádí pomocí Hammingova kódu (32,26) se vzdáleností 4. Tento mechanismus umožňuje detekovat ve slovu 3 chybné bity nebo 1 opravit. Protože jeden bit trvá 20 ms, je slovo dlouhé 0,6 s, podrámec 6 s a každý rámec 30 s.[4]

Části navigační zprávy se distribuují i mimo radiové vysílání družic ve zvláštních souborových formátech (YUMA, SEM, SP3) aktuální almanach. Využití je především k urychlení času mezi spuštěním a získáním první polohy (TTFF, Time to First Fix), nebo plánování měření.

Modernizace[editovat | editovat zdroj]

Postup modernizace družic[5][6]
Signály Blok družic IOC FOC
C/A, P I, II, IIA 1993
C/A, P(Y) II, IIA 1995
C/A, P(Y), M, L2C (IIA, IIR), IIR-M, IIF 2011
C/A, P(Y), M, L2C (IIR), IIR-M, IIF, III 2016
C/A, P(Y), M, L2C, L5 (IIR, IIR-M), IIF, III 2015+
C/A, P(Y), M, L2C, L5 (IIR-M), IIF, III 2018+
C/A, P(Y), M, L2C, L5, L1C (IIR-M, IIF), III 2018+
C/A, P(Y), M, L2C, L5, L1C (IIF), III 2021+

Po uvedení systému GPS do plného provozu (FOC) v roce 1995 se v roce 1998 začal plánovat a v roce 2000 byla schválena modernizace celého systému, který byl nazván GPS III. Projekt plánuje nové pozemní stanice i družice, další civilní i vojenské frekvence i signály, zvýšenou dostupnost a přesnost. Některé technologie jsou dostupné s družicemi bloku IIR-M vypouštěnými od roku 2005, další IIF od roku 2009, poslední fáze modernizace bude až s blokem III.

L2C kódy[editovat | editovat zdroj]

Nový civilní signál L2C má přinést především eliminaci ionosférické refrakce vysíláním na dvou frekvencích.

Pro L2C kód jsou definovány dvě PRN sekvence:

  • CM kód (Civilian Moderate code - data signal) je dlouhý 10,230 bitů, opakuje se po 20ms. CM je navíc modulován s navigační zprávou o rychlosti 25 bit/s.
  • CL kód (Civilian Long code - pilot signal) je dlouhý 767,250 bitů, opakuje se po 1500ms.

Na rozdíl od původního P(Y) kódu je postaven tak, aby na počátku výpočtu polohy bylo nutné používat civilní signál pro synchronizaci hodin.

Celý signál je vysílán 511.500 bit/s, ale je násoben na principu kódového multiplexu na 1,023 Mbit/s s využitím techniky FEC (Forward Error Correction) pro eliminaci chyb. Charakteristika L2C signálu předpokládá vyšší ochranu přenosu, lepší korelovatelnost, vyšší vysílací výkon než L1 C/A signál. V jednoduché jednofrekvenční aplikaci má L2C o 65% větší chybu v ionosférické refrakci než L1 C/A.

Modulační technika bude využívat pro datový signál BOC(1,1), pro pilot signál TMBOC(1,1) na nosné vlně. Časový posun nosné vlny (TMBOC, Time Modulated Binary Offset Carrier) je BOC(1,1) pro všechny s výjimkou 4 z 33 cyklů nosné vlny, které přechází na BOC(6,1).

M kód (L1M, L2M)[editovat | editovat zdroj]

M kód (Military code) má nahradit stávající vojenský P(Y) kód na obou frekvencích L1 a L2.[7] Signál bude vysílán širokoúhlou anténu pro pokrytí celé hemisféry země rovnoměrným signálem. Nadto bude použita také směrová anténa umístěná mimo tělo družice, kterou bude možno natáčet a regionálně (několik set kilometrů v průměru kruhu) zvýšit sílu signálu až o 20 dB. Směrová anténa bude dostupná na družici bloku III, signál na širokoúhlé anténě již od bloku IIR-M. Pro M kód se bude využívat binární modulace se zpožděnou nosnou (BOC, Binary Offset Carrier) na šířce pásma 24 MHz.

Bude vysílán zároveň s novou navigační zprávou (MNAV, Military Navigation message), která využívá pakety(packet) místo původních rámců(frame) pro pružnější využití obsahu zprávy. Pro kontrolu chyb při přenosu používá techniku FEC (Forward Error Correction). Signál vysílaného M kódu by měl mít pokrytí –158 dBW se širokopásmovou anténou a –138 dBW pro směrovou anténu.

L5 signály (Safe of Life)[editovat | editovat zdroj]

Signál SoL(Safety of Life) je určen pro civilní využití, kde je třeba garantovat kvalitu polohovací služby natolik, aby bylo možno ihned rozpoznat a eliminovat chybu části nebo celku systému, např. navigace v letectví. Má být vysílán na frekvenci L5 (1176.45 MHz) technologicky implementované do družic bloku IIF. Využívá mezinárodně rezervované pásmo pro letectví. Skládá se z 10 230bit dlouhých kódů vysílaných 10,23Mbps, tedy frekvencí 1ms:

  • I5 signál modulovaný s 10-bit Neuman-Hofman kódem o rychlosti 1kHz a navigační zprávou CNAV
  • Q5 signál modulovaný s 20-bit Neuman-Hofman kódem o rychlosti 1kHz

Využívá širší pásmo a vyšší výkon oproti L1 nebo L2C, má delší sekvenci PRN kódu. Pásmo L5 je mezinárodně rezervované pro letectví s nízkou mírou rušení.


L1C kódy[editovat | editovat zdroj]

L1C (Civil code) jsou kódy se stejnou definicí jako L2C a budou dostupné s první družicí bloku III. L1C bude vysílaný společně s C/A kódem na L1 frekvenci (1575.42 MHz), který bude mít sníženou dostupnost, ale pro zachování zpětné kompatibility zůstane zachován. L1C signál bude odlišitelný od signálů na L1 vysílaných družicemi systému Galileo a tudíž slučitelný.

CNAV/MNAV Navigační zpráva[editovat | editovat zdroj]

Nová CNAV (Civilian Navigation message) navigační zpráva bude obsahovat stávající data, ale vysílány budou v novém formátu:

  • současné rámce budou nahrazeny systémem 300bit dlouhých pseudopaketů (packet). To umožní jeho změny a úsporu šířky datového pásma.
  • bude použita ochrana chyb FEC (Forward Error Correction) s poloviční rychlostí vysílaného signálu tj. pro data 25bps bude mít výsledný signál 50bps.
  • číslo nesoucí časovou značku GPS týden (GPS week) bude rozšířeno z 10-bit na 13-bitové a max. hodnota bude 8192 tak, že jeho vyčerpání bude jednou za 157 let.
  • každý paket ponese informaci o zdravotním stavu družice, tedy během několika sekund bude možno nezdravou družici vyřadit z výpočtu. To zvýší bezpečnost pro aplikace typu Safety Of Life.
  • navigační zpráva bude podporovat až 63 družic.

O navigační zprávě autorizovaných signálů MNAV (Military Navigation message) nejsou zveřejněny žádné podrobnosti, lze ale předpokládat, že bude mít obdobnou strukturu jako CNAV.

Odkazy[editovat | editovat zdroj]

Reference[editovat | editovat zdroj]

  1. How good is GPS? Chris Rizos, SNAP-UNSW. 1999
  2. Hatch, R. R.:[http://www.ima.umn.edu/talks/workshops/8-16-18.2000/hatch/hatch.pdf GPS Carrier-Phase Ambiguity Resolution 17. srpen 2000
  3. SAASM and Direct P(Y) Signal Acquisition. Hugo Fruehauf, Steve Callaghan. 1. červen 2002
  4. Příjem navigační zprávy GNSSLeoš Junek. 28. červenec 2006
  5. Federal Radionavigation Plan. Department of Defense. 18. říjen 2005
  6. Tom Powell: GPS Wing Update, U.S. Air Force, GPS Wing. 15. září 2008
  7. Betz, J. W., Fite, J. D., Capozza, P. T.: Getting to M. GPS World. 1. duben 2005


Externí odkazy[editovat | editovat zdroj]