Перевод статьи опубликованной в GPS World, Сентябрь 2001
Публикуется с разрешения Advanstar Communications Inc
859 Willamette Street, Eugene, Oregon 97401-6806, USA
Tel: +(541) 343-1200
Fax: +(541) 984-5333
E-mail:editorial-gps@gpsworld.com

Перевод выполнен компанией "Навгеоком" © 2002

Авторы: Richard D. Fontana, Wai Cheung, Tom Stansell

Любопытная вещь произошла во время модернизации системы GPS: сигнал внезапно изменился.

После нескольких лет подготовки к ней, модернизация системы предусматривала:

• добавление гражданского C/A кода на частоту L2
• реализация нового военного (М) кода на частотах L1 и L2 для нужд Министерства обороны США
• ввод новой частоты L5 в диапазоне частот авиационной радионавигационной службы (ARNS) со специальной структурой сигнала для лучшего решения авиационных задач

Программа была только в разработке, когда возникло предложение: а возможно ли просто перенести C/A код 20-го века в новую “модернизированную” систему GPS 21-го века.

Отвечая этому требованию, в самое короткое время был разработан полностью обновленный гражданский сигнал на частоте L2 (L2C), предназначенный для решения широкого спектра различных задач. Первый запускаемый в 2003 году спутник типа Block IIR-M будет поддерживать новый сигнал, также, как и все последующие запускаемые спутники.

В результате разработчики гражданского GPS оборудования неожиданно получили выбор между тремя различными типами дифференциальной коррекции GPS сигналов. Кроме того, в систему GPS III желательно добавить новый гражданский сигнал на частоте L1, увеличивая количество вариантов разработки оборудования, делая тем самым систему более гибкой и эффективной.

В зависимости от решаемой задачи, разработчики смогут выбрать необходимые для работы сигналы, основываясь на их мощности, центральной частоте, тактовой частоте кода, ширине полосы частот, длине кода, корреляционных свойствах, пороговых характеристиках, защищенности от помех и т. д.

Помимо описания технических характеристик сигнала L2C, эта статья объясняет варианты его использования, анализирует различия в системе после модернизации. Чтобы больше узнать обо всем этом, мы приглашаем вас принять участие на собрании, которое состоится 16 сентября 2008 года.

Время действия: 2008 год

Собрание началось в 9 утра в малом конференц - зале компании Acme Industries.

Фред, руководитель группы разработчиков продукции, неделю назад принявший участие в конференции ION GPS 2008 задумался об обновлении набора микросхем для GPS продукции 2009 года. Он пригласил всего троих: Чарли, возглавляющего разработку двухчастотного высокоточного GPS оборудования, Валери, управляющего разработкой потребительских товаров на базе GPS и Альберта из службы маркетинга.

Под управлением Фреда, компания Acme предлагает широкий спектр GPS продукции как для профессионального, так и для потребительского рынка.

На конференции ION производители наборов микросхем для GPS представили Фреду широкий спектр продукции с множеством различных функций, включая одночастотные и многочастотные микросхемы для трех гражданских сигналов на частотах L1, L2 и L5. Он знал, что Чарли и Валери хорошо представляют общее направление развития в этой области, поэтому решил с их помощью лучше понять новые возможности и то, как они повлияют на рынок компании Acme.

Фред попросил Валери объяснить, почему она использует для потребительского рынка только микросхемы, обрабатывающие L1 C/A код, в то время как Чарли работает многие годы с двухчастотными наборами микросхем.

Валери ответила: “показываю слайд номер один” и он высветился на экране (см. рис. 1).

Рисунок 1. Ввод в действие новых сигналов.
(По оценке авторов, т.к. бюджет еще не согласован)

Продукция для потребительского рынка

Сегодня 30 спутников передают L1 C/A код, начала Валери, однако, как показано на этом слайде, только 20 из них могут передавать гражданский сигнал на частоте L2 и только девять на частоте L5. Я думаю, все Вы согласитесь, что мы не можем предлагать одночастотное L2 оборудование до тех пор, пока как минимум 24 спутника не будут работать на этой частоте с гражданским сигналом. С другой стороны мы не сможем, даже при улучшенных параметрах сигнала на L2, добиться лучших результатов, чем получаемые при преимуществах спутниковой геометрии 30-ти спутниковой группировки, работающей на частоте L1. Альберт сделал пометку и одобрительно кивнул.

Через год спустя, в конце 2009 г., продолжила она, мы ожидаем начало работы 24-х спутников, работающих на частоте L2 с гражданским сигналом, поэтому я буду готова начать соответствующие разработки для L2. Но в этом случае нет никаких гарантий. Я не знаю, должны ли мы сразу перевести всю продукцию на частоту L2 или подождать год, пока не убедимся в полной работоспособности спутниковой группировки. Или же мы должны предложить два вида продукции, предоставив право выбора потребителям. Мы также не знаем, как поступят наши конкуренты, поэтому у нас есть два выхода: выбрать один сигнал и пойти на риск или потратить дополнительные деньги на разработку аппаратуры для работы на каждой из двух частот.

“Почему настолько больше спутников с сигналом L2 чем L5?” - спросил Фред.

Валери показала второй слайд (см. рисунок 2) и объяснила: до момента запуска первого “модернизированного” спутника Block IIR-M в 2003 году, система GPS поддерживала всего три навигационных сигнала. Это справедливо для периода начинающегося со спутников типа Block I до последнего не модифицированного типа IIR. Из этих трех сигналов только L1 C/A код был предназначен для открытого гражданского использования.

Рисунок 2. Новые сигналы

Двенадцать спутников типа IIR были модернизированы до типа IIR-M для ускорения ввода в эксплуатацию военного М-кода на частотах L1 и L2 и гражданского сигнала на частоте L2. Однако было нереально установить аппаратуру для работы на L5 на эти модернизированные спутники. Это означает, что пришлось ждать запуска спутников серии IIF. Однако, когда двенадцать спутников типа IIR-M достигнут конца жизненного цикла и будут заменены, частота L5 будет передаваться с каждого спутника. Любая задержка здесь крайне досадна, поскольку L5 – отличный сигнал.

Приборы для решения высокоточных задач

Чарли объяснил, почему его двухчастотное оборудование использует новый гражданский сигнал на частоте L2 с момента запуска первого спутника IIR-M в 2003 году. Когда правительство объявило о новом сигнале в 2001 году, мы решили отреагировать как можно быстрее. Нам не хотелось, чтобы наши конкуренты объявили, что их продукция совместима с новым сигналом, а наша – нет. Вот почему мы сделали это, несмотря на то, что наши новейшие продукты сперва выглядели невостребованными.

Производители авиационной радиоэлектроники попали в подобную, но еще более сложную ситуацию. Существует общая практика – авиационная радиоэлектроника работает в течение 20 лет с момента установки на коммерческие воздушные суда. Можете себе представить дилемму – сигнал, которого еще нет, появится за несколько лет до того, как авиационная радиоэлектроника будет заменена. В федеральной службе авиации FAA возникли разногласия – использовать или нет гражданский сигнал L2, поскольку он не находится в диапазоне частот ARNS, даже если он и появится на несколько лет раньше L5 и увеличив устойчивость сигнала даст большую защищенность против помех. Также не было ясно, когда и как системы WAAS и LAAS будут поддерживать новые сигналы. Одним из решений стало использование модульного дизайна, поддержки будущих обновлений, включая обновление программного обеспечения с помощью дополнения или замены встраиваемых компонентов.

Рынок геодезических приборов

Для нашего рынка геодезических приборов мы по-прежнему используем чипы со слежением за военным P/Y сигналом для получения измерений на частоте L2 от старых спутников, не поддерживающих гражданский сигнал на L2, но до сих пор это было неизбежным злом. Как Вы помните, в таком режиме требуется, чтобы приемник отслеживал P код на частотах L1 и L2 и коррелировал эти измерения в полосе частот 500 КГц, которая значительно улучшает отношение сигнал/шум. Этот полукодовый режим работает хорошо, однако запас по мощности сигнала невелик. В этом режиме мощность падает на 2 дБ при реальном падении мощности всего на 1 дБ. Помимо этого, он сильно подвержен ионосферному эффекту системы слежения. Захват сигнала на частоте L2 происходит намного медленнее, а сама система значительно дороже в реализации, в основном вследствие отсутствия массового потребительского рынка для таких чипов. Во всем остальном полукодовый режим работает отлично!

Гражданский сигнал на частоте L2 сегодня не поможет решить все эти проблемы. К сожалению, мы будем вынуждены поддерживать полукодовый режим в наших продуктах как минимум еще несколько лет, пока каждый спутник не будет транслировать гражданский сигнал L2. Даже если после этого возникнут проблемы совместимости с ранними моделями приемников, которые не имеют кода на L2, мы не должны сильно беспокоиться об этом.

Альберт снова одобрительно кивнул и сделал еще одну пометку.

Возможности спутников Block IIF

Для начала о двух проблемах – продолжил Чарли – и продемонстрировал функциональные схемы спутников типа IIF и IIR-M. Первый показывает характеристики сигнала L2 встроенного в спутники IIF. Хотя мы и не видим C/A кода на частоте L2, по крайней мере, на протяжении продолжительного периода времени, переключатель “А” позволяет начать передачу старого C/A кода и наши приемники должны обнаружить этот режим и правильно отреагировать на него.

Рисунок 3. Сигнал L2 в спутнике IIF код

Переключатель “B” позволяет передавать C/A с навигационным сообщением или же без него. Отсутствие навигационного сообщения предпочтительно для двухчастотных приложений, поскольку мы и так имеем его на частоте L1. Возможно, Фред, вы не помните, что двухфазная модуляция вынуждает приемник использовать синфазно-квадратурное восстановление несущей, имеющее порог слежения на 6 дБ меньше. Без данных, мы можем использовать неквадратурную фазовую синхронизацию, предотвращающую потерю этих 6 дБ. Однако приемник должен иметь возможность распознавать данные сообщений на C/A коде и переключаться в режим синфазно-квадратурного восстановления несущей. Как долго переключатель “B” будет установлен на спутниках, так долго мы должны быть готовы к любым комбинациям сигнала. К счастью, на всех спутниках переключатель “А” установлен в положение “1”, поэтому мы можем использовать стандартный двухкодовый гражданский сигнал L2.

Как вы, понимаете, мы получаем два преимущества, используя этот сигнал. Мы можем отслеживать долгопериодический код без потери данных (CL), используя схему фазовой синхронизации для улучшения пороговых характеристик, и даже учитывая, что скорость передачи данных с умеренной длиной кода (CM) равна половине навигационного сообщения на L1, характеристики реально улучшаются, поскольку порог демодуляции ниже и структура сообщения более компактна.

Возможности спутников Block IIR-M

Следующая диаграмма показывает, что спутники типа IIR-M имеют даже больше возможностей. Это должно быть действительно вынужденная мера – добавление нового сигнала в тип IIR, поскольку в нем реализована возможность передачи нескольких дублирующихся сообщений. Как вы можете видеть, в них имеются все возможности спутников IIF, а так же добавлены два других типа сообщений.

Рисунок 4. Сигнал L2 в спутнике IIR-M код

Одно из них с помощью переключателя “C2” переводит навигационное сообщение L1 NAV на код с умеренной длиной со скоростью передачи 50 бит в секунду. Другое с помощью переключателей “C1” и “D2” использует сообщение L1 NAV со скоростью передачи 25 бит в секунду и прямой коррекцией ошибок. К счастью, использовать эти сообщения нет необходимости, так как переключатели “C” и “D” установлены в положение “1”. Однако, пока спутники IIR-M не завершили работу, я думаю, что мы должны поддерживать и эти возможности в наших микросхемах.

Совместимость в период развития системы

Для нас это ещё не конец истории. В начале мы должны обеспечить совместимость между возможностью приёма новыми устройствами любых дополнительных типов сигналов и с наследуемым полукодовым слежением. Мы не можем смешивать фазовые измерения на L2 от приёмников с разными методами слежения. В небольших сетях координация может быть выполнена вручную. В больших сетях базовых станций, особенно на уровне государства, подобная координация выполняется автоматически. Информация о базовой станции добавляется в сообщение фазовой коррекции, при этом становится необходимым обеспечить её автоматическое детектирование. Многие из наших приёмников поддерживают оба типа измерений в целях адаптации к любой ситуации, будь то передвижной или базовый приёмники. К счастью для каждого, две службы – NGS и RTCM грамотно оценили ситуацию и помогли пройти период развития. К удаче Валери, таких проблем у нее не возникнет.

Возникает огромная проблема совместимости – продолжал Чарли – до сих пор мы разрабатывали собственные микросхемы и основывали их производство в относительно небольших количествах. Массового рынка для L2 не существовало, поскольку полукодовая технология очень сложна и защищена патентами. Приближается время, когда каждый GPS спутник будет иметь гражданский сигнал на L2, что означает рост массового рынка для L2 чипов. Валери поможет сделать так, чтобы это произошло.

Мы хотели бы приобрести потребительские L1 и L2 микросхемы для использования в нашей сложной профессиональной аппаратуре. Однако эти микросхемы должны иметь превосходные эксплуатационные характеристики, включая общие часы, малый фазовый шум, широкую полосу пропускания и уменьшающие эффект переотражения корреляторы. Если они будут всего лишь незначительно отличаться от микросхем для потребительского рынка, мы должны обеспечить высокие объемы продаж Валери для убеждения производителей микросхем удовлетворить наши нужды. Я думаю, что этот план действий реален.

К несчастью период развития несет в себе и большой риск для нас – заключил Чарли. Использование потребительских микросхем в профессиональной аппаратуре значительно уменьшит её стоимость, в основном потому, что мы перестанем продолжать разработки и развивать наши собственные микросхемы каждую пару лет. При этом барьеры патентов и сложности полукодового режима будут устранены. Любая компания во всем мире будет иметь возможность покупать одинаковые микросхемы и выйти на высокоточный двухчастотный рынок. Доступность разного рода программного обеспечения для обработки данных с геодезической точностью уже не будет непреодолимым барьером, как много лет назад.

Конкуренция растет, цены падают

Ожидаемая конкуренция сильно сбросит цены. Наши главные надежды на удержание существующего рынка возлагаются на предоставление лучшего сервиса и функций для наших потребителей. Мы знаем этот рынок намного лучше, чем любой из наших возможных конкурентов, поэтому сможем сконцентрировать наши усилия на поиски лучших решений различных задач, пока у нас еще есть время.

Альберт выглядел согласным, однако кратко что-то пометил в блокноте.

А как насчет частоты L5? – спросил Фред.

Чарли ответил: Мы думали о L5 и, если станет возможным, хотели бы включить её в наши планы, как часть общего перехода на потребительские микросхемы. Мы должны действовать быстрее, чем появятся потребительские микросхемы, поскольку не хотим, чтобы наши конкуренты опередили нас. Как уже говорила Валери, в недалеком будущем появится множество сигналов и наши профессиональные продукты будут использовать все три частоты. Это ускорит скорость разрешения неоднозначности и увеличит длину базовых линий, используя наилучшую ионосферную коррекцию на больших расстояниях. Это важнейшее усовершенствование, безусловно, даст повод разработчикам антенн для создания моделей с низким влиянием переотражения и одновременно высокой чувствительностью и строго управляемыми характеристиками фазового центра для всех трех частот.

Лучший сигнал

Фред затем спросил Валери, почему она так настаивает на использовании гражданского сигнала L2 для потребительской аппаратуры вместо уже хорошо отработанного L1.

Это лучший сигнал – ответила она. Однако, это не значит, что он лучше при решении абсолютно всех задач. Вот почему мы не хотим прекращать работу с L1, но для многих будущих решений мы будем использовать и L5. Очень хорошо, что мы имеем выбор из трех различных гражданских сигналов и можем подобрать наилучший из них для любого конкретного приложения.

Интересный рынок

Это также сделает рынок более “интересным”, поскольку наши клиенты и конкуренты будут размышлять о различных сигналах, и о том, какой из них лучше подходит для решения конкретной задачи. Выбор не будет статичен, поскольку мы ожидаем изменений, начинающихся при вводе в строй сигналов GPS III. Например, в будущем мы ожидаем усиления мощности гражданского сигнала L2 и возможно, ввода подобного L2 сигнала на L1 в добавление к C/A. Этот бизнес никогда не станет скучным!

Посмотрите на сравнительную таблицу – попросила Валери (см. таб. 1). В ней мы сравнили три гражданских сигнала. В верхней таблице показаны основные параметры, такие как центральная частота, длина кода (или кодов), общая тактовая частота и информацию, содержит ли сигнал одну двухфазовую компоненту или две компоненты, сдвинутые по фазе на 90 градусов. Также в ней указаны скорость передачи данных для каждого сигнала, имеют ли данные прямую коррекцию ошибок (FEC) или нет. Как вы видите, сигналы имеют незначительные различия в характеристиках.

Гражданский сигнал	Частота несущей (МГц)	Длина кода (импульсов)	Частота кода (МГц)	Фаза	Частота передачи данных (бит в сек)	Прямая коррекция ошибок
L1	1575.42	1023	1.023	Двухфазная	50	Нет
L2	1227.60	10230 (CM) 767250 (CL)	1.023	Двухфазная	25	Да
L5	1176.45	10230	10.23	Квадратурная	50	Да

Гражданский сигнал	Полный доступ с...	Ионосферная ошибка	Корреляционная защита (дБ)	Относительный порог восстановления данных (дБ)	Относительный порог слежения за несущей (дБ)
L1	Сейчас	1.00	>21	0.0	0.0
L2	~2011	1.65	>45	+2.7	+0.7
L5	~2015	1.79	>30	+5.7	+6.7

Таблица 1. Сравнение трех гражданских сигналов

Вторая часть таблицы концентрирует ваше внимание на функциональных различиях в сигналах. Вторая колонка дает приблизительное количество спутников, работающих с новыми сигналами.

В третьей колонке приведен один и тот же эффект для разных частот. Поскольку ошибка ионосферной рефракции обратно пропорциональна квадрату частоты, ионосферная ошибка на частоте L2 на 65% больше чем на L1 и на 79% больше чем на L5. Если доступен местный сигнал дифференциальной коррекции GPS (DGPS), это не составляет большой проблемы. Однако благодаря тому, что точность определения спутниковых орбит и точность хода часов значительно улучшаются, ионосферная ошибка становится наибольшей составляющей в одночастотной навигационной ошибке, кроме того, мы ожидаем очередной всплеск солнечной активности в ближайшие три года. Следовательно, мы должны продолжать использование частоты L1 для решения всех задач, где требуется только “одночастотная” точность. Если GPS III предоставит нам улучшенный L1 сигнал, через какое-то время этой проблемы также не будет.

Корреляционная защита

Четвертая колонка показывает характеристики корреляционной защиты для каждого сигнала. Поскольку на L2 мы имеем более длинный код, это дает нам повышенную корреляционную защиту. Для L1 с более коротким кодом ситуация хуже. Это особенно важно в ситуациях, когда сигналы от некоторых спутников сильны, а от других – слабы, например, при навигации на лесной просеке.

Проблема с C/A кодом на L1 в том, что сильный сигнал от одного спутника может коррелировать с кодом приемника использующего слежение за другим спутником. Сильный сигнал может блокировать приём слабого сигнала. Уровень кросскорреляционной защиты в 45 дБ устраняет проблемы с L2, при этом остается запас для увеличения мощности сигнала L2 в спутниках GPS III. Поэтому, наилучшие характеристики корреляции помогут L2 приёмникам отбросить узкополосные сигналы помех.

Относительно L1, необработанная мощность сигнала на L2 на 2.3 дБ слабее, однако на L5 на 3.7 дБ сильнее, чем у L2. Мы надеемся, что эта разница будет медленно исчезать при вводе в эксплуатацию спутников GPS III с увеличенной мощностью сигналов L1 и L2. Обе частоты L2 и L5 имеют так называемую FEC коррекцию, частота передачи данных на L2 – 25 бит в секунду против 50 бит в секунду на L1 и L5. Пороговые значения слежения на частотах L2 и L5 улучшены, поскольку один из кодов не имеет данных. Пятая и шестая колонки представляют информацию о восстановлении данных и пороговых значениях слежения за сигналом: сигнал L2 лучше, чем C/A L1, но не так хорош как сигнал L5, имеющий в четыре раза большую мощность, чем L2.

Преимущества сигнала L2

Мы можем сделать еще одно важное заключение – L5 является наиболее привлекательным сигналом на последующие годы, когда число сигналов в космосе увеличится. Однако в данный момент появление сигнала на L2 превосходящего L1 при решении большинства задач, станет доступно гораздо раньше, чем использование сигнала L5 и может быть лучше L5 для большинства будущих приложений, даже после его появления.

Возвращаясь к вашему вопросу, Фред, я предлагаю использовать сигнал L2, поскольку он имеет наилучшую кросскорреляционную защиту, относительно L1 более низкий пороговый уровень слежения, имеет меньший порог демодуляции данных и предлагает наилучшую структуру сообщения.

Также как и L1 C/A, код L2 имеет общую тактовую частоту 1.023 МГц, в десять раз более медленную, чем L5. На первый взгляд это может выглядеть как недостаток, однако, для множества задач с небольшой энергией питания устройства это – реальная выгода. Как вы знаете, частота кода напрямую влияет на энергопотребление микросхем GPS. Это не составляет проблем для оборудования, монтируемого на автомобиле, имеющего достаточный запас мощности, однако при использования в наручных часах или сотовых телефонах вопрос питания критичен. Кроме того, размеры микросхем часто определяются в большей степени тепловым рассеиванием, чем числом элементов, поэтому меньшая частота помогает уменьшить размер устройства.

Более низкая тактовая частота также позволяет использовать радиочастотные фильтры (RF). Сигнал L5 требует применения широкополосного фильтра, в то время как L2 позволяет использовать 1 МГц фильтр с крутыми фронтами в ситуациях с сильными радиопомехами. Для проектов с низкой стоимостью простой 1 МГц фильтр с широкой полосой идеален. Также, использование микросхем с уменьшающими эффект переотражения корреляторами и радиочастотным фильтром 20 МГц, позволяют достигнуть точности кодовых измерений L2 на уровне характеристик L5. Мне нравятся производительность сигнала L2 и его гибкость.

Фред отметил, что совещание достигло своих целей в освещении проблемы перед началом её полномасштабного обсуждения. Он поблагодарил Валери и Чарли за новую информацию и пообещал надолго не откладывать это обсуждение.

После этого Альберт сказал: Я вижу, что вещи меняются слишком быстро и нам предстоит выполнить очень много работы. Спасибо, что пригласили меня на это совещание. Нам всем необходима строгая координация действий, чтобы быть готовыми к выпуску новой продукции в новом году. Совершенно ясно, что мы должны провести серьезное маркетинговое исследование, чтобы каждый из вас мог получить совет по любому направлению. Я попрошу проинструктировать мою менеджерскую команду как можно скорее.

Когда все вышли, Альберт подумал: “Готов поспорить, они не ожидали увидеть парня из маркетинга так долго держащего язык за зубами”.