Система Galileo. Структура частот и сигналов новой системы спутникового позиционирования. Часть 2.

Авторы: Jean-Luc Issler, Gunter W. Hein, Jeremie Godet,
Jean-Christophe Martin, Philippe Erhard, Rafael Lucas-Rodriguez, Tony Pratt

Переход к первой части статьи

В статье описывается структура частот и сигналов системы Galileo в виде, предложенном Группой разработки сигналов Galileo (Galileo Signal Task Force - STF) Европейской комиссии. STF была учреждена Европейским Сообществом (EC) в марте 2001 года. Под руководством EC, группа STF была составлена из экспертов, предложенных членами Европейского сообщества, официальных представителей национальной администрации по частотам и экспертов из Европейского аэрокосмического агентства (ESA). STF играет главную роль в определении частот и структуры сигнала Galileo. Одной из задач STF является поиск путей оптимизации взаимодействия систем Galileo и Navstar.

В статье рассказано о современных предложениях, касающихся частот и структуры сигналов. Это первое обсуждение основных требований к системе Galileo. В дальнейшем, будет рассмотрено распределение сервисов Galileo по сигналам, с последующим детальным обсуждением параметров (шума и переотражения) на основных участках диапазонов частот. Кроме того, рассмотрены результаты анализа взаимного влияния и помех, а также возможности взаимодействия систем и совместимости с GPS в терминах структуры сигналов с точки зрения геодезии и временной привязки.

 

Шифрование

В частности, коды шифрования (с доступной по цене лицензией), которые могут быть удалены по требованию с земли, были давно предложены для кодирования сигналов системы коммерческого сервиса (Commercial Service - CS). Шифрование кодов должно быть реализовано как техника управления доступом к данным и кодам без введения множества ограничений и дополнительных условий для пользователей. Введение/удаление шифрования сигнала не должно создавать преград для действующих пользователей, а решение проблем кодирования должно быть результатом поиска компромисса при анализе перспектив будущего рынка коммерческого сервиса (CS) и адекватной защиты, необходимой для безопасности этого рынка.

 

Распределение сигналов по сервисам

Системы передачи информации должны будут предоставлять пользователям категории сервисного обслуживания указанные в таблице 3 . Сигналы “открытого сервиса” (OS) будут использовать незашифрованные кодовые последовательности и навигационные данные в диапазонах E5 и E2-L1-E1. Одночастотные приемники (SF) будут работать с сигналами в диапазонах E2-L1-E1 и E2-L1-E1C, а также смогут принимать кодированные сигналы C/A системы GPS в диапазоне L1. Двухчастотные приемники принимают также сигналы E5a_I и E5a_Q, и в потенциале, сигнал системы GPS в диапазоне L5. Приемники с повышенной точностью (IA) могут также принимать сигналы E5a_I и E5a_Q.

Таблица 3. Распределение сигналов по сервисам системы Galileo

	OS, SF	OS, DF	OS, IA	OS, S o L	CS, VA	CS, MS	PRS
E5a (I, Q)		*	*	*		*
E5b (I, Q)			*	*		*
E6 (A)							*
E6 (B, C)					*	*
L1 (A)							*
L1 (B, C)	*	*	*	*	*	*

CS - коммерческий сервис	PRS - служба общественного регулирования
DF - двухчастотный приемник	SoL - служба скорой медицинской помощи
IA - приемник повышенной точности	SF - одночастотный приемник
MC - многочастотный приемник	VA - канал с добавленной стоимостью
OS - сервис открытого доступ

Служба скорой медицинской помощи (SoL) должна использовать OS кодовые последовательности и навигационные данные на всех частотах диапазонов E5 и E2-L1-E1. Коммерческий сигнал CS также должен работать с OS кодовыми последовательностями и навигационными данными в диапазонах E2-L1-E1B и E2-L1-E1C, а также с дополнительными шифрованными данными и кодовыми последовательностями сигналов E6_B и E6_C. В дополнение к этим сигналам многочастотный дифференциальный коммерческий канал CS использует нешифрованные кодовые последовательности OS и навигационные данные на несущих частотах сигналами E5a и E5b. Сигналы Служб общественного регулирования должны использовать шифрованные PRS кодовые последовательности и навигационные данные в диапазонах E6 and E2-L1-E1 представленные сигналами E6_A и E2-L1-E1_A.

 

Возможности системы Galileo для аварийно-спасательных служб (SAR)

Сигналы бедствия службы спасения SAR (от вызовов излучающих сигнальных маяков до операторов службы SAR) будут обнаружены спутниками Galileo в диапазоне частот 406.0 - 406.1 МГц и затем пересланы на специализированные наземные станции на частотах диапазона 1544 – 1545 МГц, обозначенного как L6 (ниже навигационного диапазона E2 зарезервированного за аварийными службами). Обратный сигнал с данными SAR (от SAR операторов до маяка, излучающего сигнал бедствия), который необходим для подтверждения получения сигнала тревоги и координации спасательных команд будет добавлен в данные сервиса открытого доступа OS и передан с несущей частотой в диапазоне частот E2-L1-E1.

 

Параметры быстродействия

Рис. 2. Погрешности от переотраженных сигналов: зеленый - BOC(15,10), черный - BOC(10,5), голубой - BPSK(10), красный - BPSK(5).

Комплексная оценка быстродействия и эксплуатационных характеристик сигнала в системе Galileo в настоящее время еще проводится. Главное отличие сигнала системы Galileo от излучаемого сигнала системы NAVSTAR заключено в использовании схемы модуляции BOC (в перспективе Alt BOC) и, как следствие, более широкой полосы занимаемых частот для большинства сигналов.

В этом контексте влияние ошибок обработки кодов псевдодальностей на важнейшие параметры приборов всегда связывают с влиянием температурных шумов. В таблице 4 показан нижний предел “Cramer-Rao” этих значений для всех сигналов системы Galileo и сигналов C/A системы NAVSTAR, а также всех сигналов NAVSTAR в диапазоне L5. Полагая цикл задержка-захват приемника имеющим полосу пропускания в 1 Гц, мы используем значение 205 dbW для преобразования минимальной принимаемой энергии в широко распространенное отношение сигнал-шум. Мощности преобразованных одночастотного и сервисного (т.е. с каналами данных и “пилот” сигнала) взаимосвязаны.

Табл. 4 показывает, что сигнал BOC демонстрирует низкий уровень ошибок обработки кодов псевдодальности, т.к. большая спектральная плотность мощности размещена на нижней и верхней границах частотного спектра, а не в центре, что характерно для BPSK и QPSK сигналов. В результате, предполагается, что функция автокорреляции сигнала BOC имеет множественные пики, что в свою очередь, приводит к необходимости изменения рабочего алгоритма приемника для корректировки центральных пиков.

Таблица 4. Погрешность кодовой последовательности, обусловленная температурным шумом.

Обрабатываемые сигналы	Модуляция	Мощность (dbW)	Ширина полосы частот сигнала (MHz)	Шумы кодирования (см)
E5a и E5b	BPSK (10)	-155	24	4.6
E5a + E5b не связанные	BPSK (10)	-152	24	3.2
E5a + E5b связанные	BOC (15.10)	-152	51	0.8
E6A	BOC (10.5)	-155	40	1.7
E6B + E6C	BPSK (5)	-155	24	6.2
L1A	BOC (14.2)	-155	32	1.2
L1B + L1C	BOC (2.2)	-155	24	5.5
NAVSTAR C/A	BPSK (1)	-160	24	23.9
NAVSTAR L5	BPSK (10)	-154	24	4.1

Рис. 3. Погрешности от переотражений: черный - BOC(2,2), красный - BOC(14,2), голубой - BPSK(1).

Большая ширина полосы частот сигнала позволяет использовать весьма ограниченную область корреляции. Малый температурный шум и низкий уровень кодовых наложений в результате дают определенный выигрыш. Погрешность от кодовых наложений значительно отличается для BOC и BPSK сигналов, как показано на рисунках 2 и 3, соответственно. Эти два рисунка основаны на данных кодового дискриминатора с общей областью дискриминации d 5 1/14, что наглядно позволяет сравнивать все сигналы и визуально корректировать центральные пики сигнала BOC(14,2). Любой переотраженный сигнал слабее на 23 dB прямого сигнала. (Следует отметить, что обычно диапазон амплитуд переотраженных сигналов лежит в пределах от 27 dB до 210 dB).

Рисунки 2 и 3 показывают, что характеристики переотражений для сигналов BOC, как правило, лучше, чем для сигналов BPSK.

Совместная корректировка в диапазонах E5a и E5b имеет экстремально низкие погрешности корректировки кодов от влияния температурного шума (смотри линию 3 в табл. 4) и хорошие характеристики уменьшения влияния переотражений. Если корректировку в диапазонах E5a и E5b проводить раздельно (т.е. несвязанно), как для сигнала QPSK(10) и совмещать после раздельной корректировки (т.е. усреднить полученную в диапазонах E5a и E5b псевдодальность), характеристики выигрыша получаются значительно скромнее (смотри линию 2 в табл. 4).

 

Современные исследования помех

Авиационные радионавигационные службы используют частотный диапазон от 960 до 1215 МГц, содержащий нижний участок L-диапазона – E5a и E5b, зарезервированный во всем мире для воздушных радиоэлектронных вспомогательных средств, для аэронавигации и других, непосредственно связанных с наземным обслуживанием систем, в частности, для служб радионавигационных спутников. Такое расположение может вызвать многочисленные помехи, к которым надо относиться очень внимательно и использовать навигационные сигналы Galileo/NAVSTAR c особыми требованиями к обеспечению безопасности их применения.

Ученые изучают эффекты воздействия помех от систем DME/TACAN, JTIDS/MIDS и вне диапазонного излучения радаров в диапазонах L5, E5a и E5b уже несколько лет. Эти суммарные помехи от наземных источников увеличиваются с увеличением высоты, т. к., чем выше, тем больше сигналов принимается. Наиболее чувствительным параметром в этом контексте является граница ограничения порога захвата, выше которой сигналы системы GNSS справляются с воздействием помехи, например, 5.8 dB для NAVSTAR диапазона L5, 4.8 dB для Galileo диапазона E5a и 3.3 dB для E5b. Корректировка порога и величины порога демодуляции данных дает несколько децибел повышения порога. Устанавливая границы, ученые допускают использование стандартного временного интервала для импульса запирания приемника и передовых методов обработки сигнала. Мы должны отметить, что в отличие от США, Европа в настоящее время не планирует перемещения частот служб с дальномерным оборудованием DME в другие места для обхода этих проблем.

 

Совместимость и взаимодействие

Как уже говорилось в начале статьи, Европейское сообщество поручило команде Galileo спроектировать и отработать систему, имеющую временные, геодезические стандарты и структуру сигнала, совместимые и позволяющие взаимодействовать с гражданской системой NAVSTAR и всеми ее дополнительными подразделениями в случае ее расширения. В этом контексте, термин “совместимость” подразумевает, что системы NAVSTAR и Galileo не ухудшают работу автономных сервисов друг друга. Возможность же взаимодействия относится к возможности комбинированного использования обеих GNSS для улучшения точности, достоверности, доступности и надежности с помощью единой, общей для этих систем, конструкции приемников.

 

Сигналы в космосе

Рис. 4. Предельное ухудшение C/NO кодированного сигнала в dB, как результат межсистемных помех системы NAVSTAR C/A от сигнала системы Galileo BOC(2,2) в диапазоне E2-L1-E1.

Возможность совместной работы Galileo/NAVSTAR основана на возможности частичного взаимного перекрытия частот сигналов с различными структурами и/или различными кодовыми последовательностями. В диапазоне E5a (совпадающий с L5) и E2-L1-E1 (или L1) сигналы Galileo и NAVSTAR используют идентичные несущие частоты. В диапазоне L1 спектральное разделение сигналов Galileo и NAVSTAR производится путем использования разных схем модуляции. Это позволяет уменьшить помехи для гражданских сигналов без воздействия на M-код системы NAVSTAR или PRS сервис системы Galileo.

Использование единой центральной частоты позволяет радикально упростить входные каскады приемников ценой взаимных помех для обеих систем. Эти, так называемые, межсистемные помехи, появляются в дополнении к помехам от навигационных сигналов, принадлежащих идентичным системам, или внутрисистемным помехам. Только сумма помех всех типов имеет значение при определении характеристик приемника.

Исследования показали, что ухудшение C/NO кодированного сигнала в системе NAVSTAR C/A от сигнала системы Galileo BOC(2,2) никогда не превышает величину в 0.2 dB в любой точке мира и в любое время. Для международной космической станции она равна 0.22 dB. Рисунок 4 представляет собой глобальную карту, показывающую максимальное ухудшение межсистемного C/NO сигнала, как функции географических координат.

Таблица 5. Взаимный уровень помех (наихудший случай падения уровня сигнала в линии связи / межсистемное ухудшение).

Частотный диапазон	Помехи системе Galileo от работы системы GPS	Помехи системе GPS от работы системы Galileo
L1	0.03 dB / 0.09 dB	0.05 dB / 0.2 dB
E5a / L5	0.5 dB / 0.8 dB	0.2 dB / 0.4 dB

Максимум внутрисистемных и собственных помех, из тех, что допускает NAVSTAR C/A кодирование ниже 2.7 dB, и намного превышает потенциальный уровень межсистемных помех от сигнала системы Galileo. Максимум же межсистемных помех (0.2 dB) не проявляется в одно и то же время в одном и том же месте, как это происходит с внутрисистемными помехами. Наоборот, максимум внутрисистемных помех проявляется тогда, когда уровень межсистемных помех минимальный.

Суммарный максимум (межсистемные + внутренние помехи), проявившийся величиной лишь немногим больше 2.7 dB, в самом неблагоприятном случае дает ухудшение сигналов Galileo от NAVSTAR C/A кодовой последовательности лишь на 0.05 dB. (После модернизации группировки системы NAVSTAR (числа спутников и мощности сигнала) - это значение должно дойти до 0.08 dB.) По сравнению с сигналом BOC (2,2), ухудшение других сигналов системы Galileo от сигналов NAVSTAR c C/A имеет значительно меньшую величину. Поэтому мы уверены в том, что пользователи системы NAVSTAR не пострадают от помех, вызванных наложением сигналов NAVSTAR и Galileo в диапазоне L1. В диапазонах E5a и L5 межсистемные помехи, как правило, выше, т.к. могут быть использованы идентичные схемы модуляции.

Рис. 5. Предельное ухудшение в dB сигнала NAVSTAR C/NO в диапазоне L5, как результат межсистемных помех от сигналов системы Galileo в диапазоне E5a.

Например, на рис. 5, показано ухудшение сигнала NAVSTAR C/NO диапазона L5 от сигнала Galileo диапазона E5a, как функции от географических координат.

Ко всему предыдущему, мы исследовали ухудшение параметров сигнала системы Galileo от влияния сигналов системы GPS и свели результаты в табл. 5. Исследование показало, что в диапазоне L1 уровень взаимных помех очень низок, а в диапазоне E5a/L5 они имеют значительную величину. В предыдущих параграфах мы уже отмечали, что помехи от систем дальнометрии DME, работающих в диапазонах E5a и L5, пропадают лишь в малой степени для авиационных пользователей и на больших высотах, главным образом, в Европе, где и не планируется передислокация DME систем. Поэтому влияние сигналов системы NAVSTAR на работу системы Galileo в диапазоне E5a должно быть тщательно рассмотрено в будущем.

 

Опорная система координат

Опорная система координат в Galileo принята в соответствии с международными гражданскими стандартами. Тем не менее, опорные системы времени и координат должны базироваться на геодезических опорных станциях и эталонах времени, отличных от тех, которые используются в системе NAVSTAR. Это гарантирует независимость обеих систем, позволяя одной системе действовать как резервное решение для другой системы.

Наземная Опорная Система Координат Galileo (GTRF) должна на практике стать независимым членом Международной Системы Опорных Координат (ITRS), созданной Центральным Управлением Международной Службы Вращения Земли (IERS). Полученная система координат опирается на координаты наземных станций системы Galileo. Система NAVSTAR использует систему WGS-84 (и её модификации), как опорную систему координат, причем эта система также создана ITRS и опирается на координаты станций управления NAVSTAR.

Как ожидается, отличия в координатах, полученных относительно систем WGS-84 и GTRF не должны превышать нескольких сантиметров. Поэтому, с точки зрения возможности взаимодействия обеих систем GNSS, подразумевается, что WGS-84 и GTRF будут практически идентичными (в рамках возможной точности) при реализации обеих решений ITRS (т.е. их системы опорных координат будут совместимы). Этой точности вполне достаточно для навигационных задач и большинства других категорий пользователей; остаточная разница порядка двух сантиметров интересна лишь ученым-геофизикам. В случае, когда необходима абсолютная точность, преобразовать параметры до требуемой точности могут специалисты внешнего сервиса Galileo. Текущие предложения STF не предполагают необходимости помещать подобную информацию в навигационные данные, транслируемые через спутники системы Galileo.

Опорная система координат полностью соответствует гравитационной модели Земли. Например, WGS-84 использует модель сферического гармонического расширения гравитационного потенциала вверх в определенном порядке и до 360 градусов. Подобная же модель должна быть продумана и для Galileo, поэтому ожидается получение нужных результатов от миссий Европейской комиссии по спутниковой гравитации GOCE и CHAMP, а также Американской миссии GRACE.

 

Опорная шкала времени

Системное время Galileo (GST) должно стать непрерывной шкалой временных маркеров, управляемых системой Международного Атомного времени (TAI) со смещением менее 33 наносекунд. Интервал значения GST, выраженный, как время смещения относительно TAI, должен быть равен 50 наносекундам для 95 процентов времени в течении любых годовых временных интервалов. Временная разница между GST и UTC будет транслироваться пользователям через спутники Galileo.

Наземные службы системы Galileo постоянно контролируют задержку GST по отношению ко времени системы NAVSTAR и, в конечном счете, передают ее величину пользователям. Величина задержки также может быть в первом приближении определена в приемнике пользователя всего за одно измерение. В принципе, передача этих данных может оказаться не востребованной в основной массе пользователей.

Переход к первой части статьи