GPS sinyalleri - GPS signals

Jeodezi
Temel bilgiler Jeodezi Jeodinamik Geomatik Tarih
Kavramlar Coğrafi uzaklık Geoid Dünya Figürü (Dünya yarıçapı ve Dünyanın çevresi ) Jeodezik veri Jeodezik Coğrafi koordinat sistemi Yatay konum gösterimi Enlem  / Boylam Harita projeksiyonu Referans elipsoid Uydu jeodezi Mekansal referans sistemi Mekansal ilişkiler
Teknolojiler Global Gez. Oturdu. Sistemler (GNSS'ler) Global Konum Sistem (GPS) GLONASS (Rusya) Beidou (BDS) (Çin) Galileo (Avrupa) NAVIC (Hindistan) Quasi-Zenith Sat. Sys. (QZSS) (Japonya) Ayrık Global Grid ve Geocoding
Standartlar (tarih) NGVD 29 Deniz Seviyesi Verisi 1929 OSGB36 Mühimmat Araştırması İngiltere 1936 SK-42 Systema Koordinat 1942 goda ED50 Avrupa Veri 1950 SAD69 Güney Amerika Verisi 1969 GRS 80 Jeodezik Referans Sistemi 1980 ISO 6709 Coğrafi nokta koordinatörü. 1983 NAD 83 Kuzey Amerika Verisi 1983 WGS 84 Dünya Jeodezik Sistemi 1984 NAVD 88 N. Amerikan Dikey Veri 1988 ETRS89 Avrupa Karasal Ref. Sys. 1989 GCJ-02 Çin gizlenmiş datum 2002 Coğrafi URI Bir noktaya internet bağlantısı 2010 Uluslararası Karasal Referans Sistemi Uzamsal Referans Sistem Tanımlayıcısı (SRID) Evrensel Enine Merkatör (UTM)

Sanatçının Dünya yörüngesindeki GPS Blok II-F uydusu anlayışı.

Sivil GPS alıcısı ("GPS navigasyon cihazı ") bir deniz uygulamasında.

Küresel Konumlandırma Sistemi (GPS) uyduları yayını mikrodalga etkinleştirmek için sinyaller Küresel Konumlama Sistemi yer ve zamanı belirlemek ve türetmek için Dünya yüzeyinde veya yakınında alıcılar hız. Sistem, ABD Savunma Bakanlığı (DoD) hem ordu hem de genel halk tarafından kullanılmak üzere.

GPS sinyalleri uyduya olan mesafeyi ölçmek için kullanılan sinyalleri ve navigasyon mesajlarını içerir. Navigasyon mesajları şunları içerir: efemeris her bir uydunun yörüngedeki konumunu hesaplamak için kullanılan veriler ve tüm uydu takımyıldızının zamanı ve durumu hakkında bilgiler. almanak.

Sivil kullanım için dört sinyal mevcuttur. Giriş tarihi sırasına göre, bunlar: L1 C / A, L2C, L5 ve L1C.^[1] L1 C / A aynı zamanda eski sinyal ve tüm uydular tarafından yayınlanır. Diğer sinyaller denir modernize sinyaller ve tüm uydular tarafından yayınlanmamaktadır. Ek olarak, var kısıtlı sinyaller yayınlanmış frekanslara ve yonga oranlarına sahip ancak yalnızca yetkili taraflarca kullanılması amaçlanan şifreli kodlama. Kısıtlanmış sinyallerin bazı sınırlı kullanımı yine de şifresi çözülmeden siviller tarafından yapılabilir; buna denir kodsuz ve yarı kodsuz erişim ve resmi olarak desteklenmektedir.^[2]

Kullanıcı Segmentine arayüz (GPS alıcıları ) içinde açıklanmaktadır Arayüz Kontrol Belgeleri (ICD). Sivil sinyallerin formatı, Arayüz Özellikleri (IS) bu, ICD'nin bir alt kümesidir.

Ortak özellikleri

GPS uyduları ( uzay araçları GPS arayüzü spesifikasyon belgelerinde) aynı anda birkaç farklı kod ve navigasyon verilerini iletir. ikili faz kaydırmalı anahtarlama (BPSK). Yalnızca sınırlı sayıda merkezi frekans kullanılır; Aynı frekansı kullanan uydular, farklı aralık kodları kullanılarak ayırt edilir; başka bir deyişle, GPS kullanır Kod Bölmeli Çoklu Erişim. Değişen kodlar da denir yonga kodları (CDMA /DSSS ), sözde rasgele gürültü ve sözde rasgele ikili diziler (tahmin edilebilir olduğu gerçeğine referansla, ancak istatistiksel olarak gürültüye benziyor).

Bazı uydular, aynı frekansta birkaç BPSK akışını dört evreli bir biçimde iletir. karesel genlik modülasyonu. Ancak, tek bir bit akışının iyileştirmek için iki yarı-sembol hızlı bit akışına bölündüğü tipik QAM sistemlerinden farklı olarak spektral verimlilik GPS sinyallerinde, eş fazlı ve karesel bileşenler ayrı (ancak işlevsel olarak ilişkili) bit akışları tarafından modüle edilir.

Uydular, adı verilen bir seri numarasıyla benzersiz şekilde tanımlanır. uzay aracı numarası (SVN) ömrü boyunca değişmeyen. Ek olarak, çalışan tüm uydular bir uzay aracı tanımlayıcısı (SV ID) ve sözde rasgele gürültü numarası (PRN numarası) bir uydunun kullandığı aralık kodlarını benzersiz şekilde tanımlayan. Sabit bir bire bir yazışma SV tanımlayıcıları ile arayüz spesifikasyonunda açıklanan PRN numaraları arasında.^[3] SVN'lerin aksine, bir uydunun SV ID / PRN numarası değiştirilebilir (ayrıca kullandığı aralık kodları da değiştirilerek). Herhangi bir zamanda, herhangi bir SV ID / PRN numarası en fazla tek bir uydu tarafından kullanılmaktadır. Tek bir SV ID / PRN numarası, zaman içinde farklı noktalarda birkaç uydu tarafından kullanılmış olabilir ve tek bir uydu, farklı zaman noktalarında farklı SV ID / PRN numaralarını kullanmış olabilir. GPS takımyıldızı için mevcut SVN'ler ve PRN numaraları şu adreste bulunabilir: NAVCEN.

Eski GPS sinyalleri

Orijinal GPS tasarımı iki farklı kod içerir: kaba / edinim (C / A) kodu, halka ücretsiz olarak kullanılabilir ve kısıtlı hassas (P) kodu, genellikle askeri uygulamalar için ayrılmıştır.

Kaba / edinme kodu

C / A PRN kodları Altın kodları 1.023 Mçip / s'de iletilen 1023 yonga periyodu ile kodun her 1 milisaniyede bir tekrarlanmasına neden olur. Onlar münhasır 50 bit / s ile navigasyon mesajı ve sonuç aşaması, taşıyıcıyı şu şekilde modüle eder: önceden açıklanan. Bu kodlar yalnızca eşleşiyor veya otokorelasyon neredeyse tam olarak hizalandıklarında. Her uydu benzersiz bir PRN kodu kullanır ve bu ilişkilendirmek başka bir uydunun PRN kodu ile iyi. Başka bir deyişle, PRN kodları oldukça dikey bir başkasına. C / A kodunun 1 ms'lik periyodu 299,8 km mesafeye karşılık gelir ve her çip 293 m'lik bir mesafeye karşılık gelir. (Alıcılar bu kodları tek bir doğruluk çipi içinde takip eder, bu nedenle ölçüm hataları 293 m'den önemli ölçüde daha küçüktür.)

C / A kodları, maksimum periyot 10 aşaması tarafından üretilen 2 bitlik akışların birleştirilmesiyle ("özel veya" kullanılarak) üretilir. doğrusal geri beslemeli kayma kayıtları (LFSR). Bu bit akışlarından birini seçici olarak geciktirerek farklı kodlar elde edilir. Böylece:

CA_ben(t) = Bir(t) ⊕ B(t-D_ben)

nerede:

CA_ben PRN numaralı kod ben.

Bir üretici polinomu olan ilk LFSR'nin çıktısıdır x → x¹⁰ + x³ + 1 ve başlangıç ​​durumu 1111111111₂.

B jeneratör polinomu olan ikinci LFSR'nin çıktısıdır x → x¹⁰ + x⁹ + x⁸ + x⁶ + x³ + x² + 1 ve başlangıç ​​durumu da 1111111111₂.

D_ben her bir PRN numarasına özgü bir gecikmedir (tam sayı periyot sayısı ile) ben; GPS arayüzü spesifikasyonunda belirtilmiştir.^[3]

⊕ özeldir veya.

Buradaki fonksiyonların argümanları, bitler veya cips 0'dan başlayan dönemlerinden beri DGKY'lerin çağı, başlangıç ​​durumunda oldukları noktadır; ve genel C / A kodları için herhangi bir UTC saniyesinin başlangıcı artı herhangi bir tam sayı milisaniye sayısıdır. Negatif bağımsız değişkenlerdeki LFSR'lerin çıktısı, 1.023 yonga olan dönem ile tutarlı olarak tanımlanır (bu hüküm gereklidir, çünkü B yukarıdaki denklemi kullanan olumsuz bir argümana sahip olabilir).

34 ve 37 numaralı PRN için gecikme aynıdır; bu nedenle C / A kodları aynıdır ve aynı anda iletilmez^[4] (her GPS alıcısında alınan göreceli güç seviyelerine bağlı olarak karşılıklı parazit nedeniyle bu sinyallerden birini veya her ikisini kullanılamaz hale getirebilir).

Hassas kod

P kodu, C / A kodundan çok daha uzun bir PRN dizisidir: 6.187104 · 10¹² yongalar (773,388 MByte). P-kodu yonga hızı (10.23 Mçip / sn) C / A kodunun on katı olmasına rağmen, aralık belirsizliğini ortadan kaldırarak yalnızca haftada bir kez tekrar eder. Alıcıların bu kadar uzun ve hızlı bir kodu doğrudan elde edemeyecekleri varsayıldı, bu nedenle uzay aracını almak için önce C / A kodu ile kendilerini "önyükleme" yapacaklardı. efemeridler, yaklaşık bir zaman ve konum sabitlemesi üretin ve ardından düzeltmeyi iyileştirmek için P kodunu alın.

C / A PRN'leri her uydu için benzersizken, her uydu, yaklaşık olarak 2.35 · 10'luk bir ana P kodu dizisinin farklı bir bölümünü iletir.¹⁴ uzun yonga (235.000.000.000.000 bit, ~ 26.716 terabayt). Her bir uydu, her Pazar 00:00:00 GPS saatinde yeniden başlayarak, kendisine atanmış ana kod segmentini tekrar tekrar iletir. (GPS dönemi 6 Ocak 1980 Pazar 00:00:00 UTC idi, ancak GPS UTC artık saniyelerini takip etmiyor. Dolayısıyla, GPS saati UTC'nin tamsayı kadar saniyedir.)

P kodu halka açıktır, bu nedenle yetkisiz kullanıcıların onu kullanmasını veya potansiyel olarak müdahale etmesini önlemek için sahtekarlık, P kodu ile XORed W kodu, kriptografik olarak oluşturulmuş bir dizi, Y kodu. Y kodu, uyduların o zamandan beri ilettikleri şeydir. sahteciliği önleme modülü "açık" durumuna ayarlandı. Şifrelenmiş sinyal, P (Y) kodu.

W kodunun detayları gizlidir, ancak yaklaşık 500 kHz'de P koduna uygulandığı bilinmektedir,^[5] P kodu yonga hızından yaklaşık 20 kat daha yavaş. Bu, W kodunu bilmeden P (Y) sinyalini izlemek için yarı kodsuz yaklaşımlara yol açmıştır.

Navigasyon mesajı

PRN aralık kodlarına ek olarak, bir alıcının her aktif uydunun saatini ve konumunu bilmesi gerekir. GPS bu bilgileri navigasyon mesajı ve modüle eder hem C / A hem de P (Y) kodlarını 50 bit / s'de değiştirir. Bu bölümde açıklanan navigasyon mesajı formatı LNAV verileri olarak adlandırılır ( eski gezinme).

Gezinme mesajı üç tür bilgi aktarır:

• GPS tarihi ve saati ve uydunun durumu.
• efemeris: gönderen uydu için kesin yörünge bilgisi.
• Almanak: her uydu için durum ve düşük çözünürlüklü yörünge bilgileri.

Bir efemeris yalnızca dört saat geçerlidir; bir almanak, iki haftaya kadar küçük bir hassasiyet seyreltmesi ile geçerlidir.^[6] Alıcı, depolanan zaman ve konuma bağlı olarak bir dizi uydu elde etmek için almanağı kullanır. Her bir uydu elde edildikçe, efemerisinin şifresi çözülür, böylece uydu navigasyon için kullanılabilir.

Navigasyon mesajı 30 saniyeden oluşur çerçeveler 1.500 bit uzunluğunda, beş adet 6 saniyeye bölünmüş alt çerçeveler her biri 30 bitlik on kelimeden oluşan. Her bir alt çerçeve, 6 saniyelik artışlarla GPS süresine sahiptir. Alt çerçeve 1, GPS tarihini (hafta numarası) ve uydu saati düzeltme bilgisini, uydu durumunu ve sağlığı içerir. Alt çerçeveler 2 ve 3, birlikte gönderen uydunun efemeris verilerini içerir. 4 ve 5 numaralı alt çerçeveler şunları içerir: sayfa 25 sayfalık almanaktan 1 ile 25 arası. Almanak 15.000 bit uzunluğundadır ve iletilmesi 12.5 dakika sürer.

GPS haftasının başında ve daha sonra her 30 saniyede bir çerçeve başlar. Her hafta almanak sayfa 1'in gönderilmesi ile başlar.^[7]

İki navigasyon mesajı türü vardır: LNAV-L, 1'den 32'ye kadar PRN numaralarına sahip uydular tarafından kullanılır ( daha düşük PRN numaraları) ve LNAV-U, 33 ila 63 PRN numaralı uydular tarafından kullanılır ( üst PRN numaraları).^[8] 2 tür çok benzer formatlar kullanır. 1'den 3'e kadar olan alt çerçeveler aynıdır^[9] 4 ve 5 numaralı alt çerçeveler neredeyse aynıdır. Her mesaj tipi, aynı navigasyon mesajı tipini kullanan ancak diğerini kullanmayan tüm uydular için almanak verilerini içerir.

Her alt çerçeve, alıcının bir alt çerçevenin başlangıcını tespit etmesini ve navigasyon alt çerçevesinin başladığı alıcı saat zamanını belirlemesini sağlayan bir Telemetri Kelimesi (TLM) ile başlar. Daha sonra, GPS zamanını (aslında bir sonraki alt çerçevenin ilk bitinin iletileceği zaman) veren ve tam bir çerçeve içinde belirli alt çerçeveyi tanımlayan aktarım sözcüğü (HOW) vardır.^[10][11] Alt çerçevenin kalan sekiz kelimesi, bu alt çerçeveye özgü gerçek verileri içerir. Her kelime, o kelimenin 24 parite olmayan bitini ve önceki kelimenin son 2 bitini hesaba katan, Hamming kodlarına dayalı bir algoritma kullanılarak üretilen 6 bit parite içerir.

Bir alt çerçeve okunduktan ve yorumlandıktan sonra, bir sonraki alt çerçevenin gönderildiği zaman, saat düzeltme verileri ve HOW kullanılarak hesaplanabilir. Alıcı, Telemetri Kelimesinin tespitinden bir sonraki alt çerçevenin başlangıcının ne zaman alındığına dair alıcı saat zamanını bilir, böylece geçiş süresinin ve dolayısıyla sözde turuncunun hesaplanmasını sağlar.

Zaman

GPS zamanı, hafta numarası ve hafta sayımı (TOW) olarak 1,5 saniyelik bir çözünürlükle ifade edilir.^[12] Sıfır noktası (hafta 0, TOW 0) 1980-01-06T00: 00Z olarak tanımlanmıştır. TOW sayısı, 0 ile 403,199 arasında değişen bir değerdir ve anlamı, GPS haftasının başlangıcından bu yana geçen 1,5 saniyelik periyotların sayısıdır. TOW sayısının ifade edilmesi bu nedenle 19 bit (2¹⁹ = 524,288). GPS zamanı, artık saniyeleri içermeyen sürekli bir zaman ölçeğidir; bu nedenle GPS haftalarının başlangıcı / bitişi, karşılık gelen UTC gününden tam sayı saniye olarak farklılık gösterebilir.

Her bir alt çerçevede, her bir aktarım sözcüğü (HOW), sonraki sonraki alt çerçevenin başlangıcına karşılık gelen TOW sayısının en anlamlı 17 bitini içerir.^[13] En az önemli olan 2 bitin güvenli bir şekilde ihmal edilebileceğine dikkat edin, çünkü navigasyon mesajında ​​her 6 saniyede bir HOW meydana gelir, bu da bunun kesilmiş TOW sayısının çözünürlüğüne eşittir. Aynı şekilde, kesilmiş TOW sayısı, son GPS haftası başlangıcından / sonundan sonraki karenin başlangıcına kadar 6 saniyelik birimler halinde süredir.

Her çerçeve (alt çerçeve 1'de) karşılık gelen GPS hafta numarasının en az önemli 10 bitini içerir.^[14] GPS çerçeveleri GPS hafta sınırlarını geçmediği için her karenin tamamen bir GPS haftası içinde olduğunu unutmayın.^[15] Dan beri yuvarlanmak her 1.024 GPS haftasında bir gerçekleşir (yaklaşık her 19.6 yılda bir; 1.024, 2'dir¹⁰), güncel takvim tarihlerini hesaplayan bir alıcının üst hafta sayı bitlerini çıkarması veya bunları farklı bir kaynaktan elde etmesi gerekir. Olası bir yöntem, alıcının, kapatıldığında güncel tarihini hafızaya kaydetmesi ve açıldığında, yeni kodu çözülen kesilmiş hafta numarasının, son kaydedilen tarihte başlayan 1.024 haftalık süreye karşılık geldiğini varsaymasıdır. Bu yöntem, alıcının 1.024 haftadan (~ 19.6 yıl) daha uzun süre kapalı kalmasına (veya bir zaman ve konum düzeltmesi olmadan) asla izin verilmezse, tam hafta sayısını doğru bir şekilde çıkarır.

Almanak

almanak takımyıldızdaki her uydu için kaba yörünge ve durum bilgilerinden oluşur, bir iyonosferik model ve GPS'den türetilen zamanı ile ilişkilendirme bilgileri Eşgüdümlü Evrensel Zaman (UTC). Her çerçeve almanakın bir bölümünü içerir (alt çerçeveler 4 ve 5'de) ve tam almanak her bir uydu tarafından toplam 25 çerçeve içinde (12.5 dakika gerektirir) iletilir.^[16] Almanak birkaç amaca hizmet eder. Birincisi, alıcının depolanan konuma ve zamana göre görünür uyduların bir listesini oluşturmasına izin vererek, her uydudan bir efemeris bu uyduyu kullanarak konum sabitlerini hesaplamak için gerekliyken, güç açıldığında uyduların alınmasına yardımcı olmaktır. Eski donanımda, yeni bir alıcıda almanak olmaması, geçerli bir konum sağlamadan önce uzun gecikmelere neden olur, çünkü her uydu için arama yavaş bir süreçti. Donanımdaki gelişmeler, satın alma sürecini çok daha hızlı hale getirdi, bu nedenle bir almanağa sahip olmamak artık bir sorun değil. İkinci amaç, GPS'ten türetilen zamanı (GPS zamanı olarak adlandırılır), uluslararası zaman standardıyla ilişkilendirmektir. UTC. Son olarak, almanak tek frekanslı bir alıcının aşağıdakileri düzeltmesine izin verir: iyonosferik gecikme genel bir iyonosferik model kullanarak hata. Düzeltmeler kadar doğru değil GNSS büyütme sistemler gibi WAAS veya çift frekanslı alıcılar. Bununla birlikte, iyonosferik hata, tek frekanslı bir GPS alıcısı için en büyük hata kaynağı olduğundan, genellikle düzeltme yapılmamasından daha iyidir.

4 ve 5 numaralı alt şasilerin yapısı

Veri güncellemeleri

Uydu verileri genellikle 24 saatte bir güncellenir ve düzenli olarak güncelleme yapma becerisinde bir kesinti olması durumunda 60 güne kadar veriler yüklenir. Tipik olarak güncellemeler, yeni almanaklar daha az sıklıkla yüklenen yeni efemeridler içerir. Kontrol Segmenti normal operasyonlar sırasında en az 6 günde bir yeni bir almanak yükleneceğini garanti eder.

Uydular her iki saatte bir yeni bir efemeris yayınlar. Efemeris genellikle 4 saat için geçerlidir ve nominal olmayan koşullarda her 4 saatte bir veya daha uzun süreli güncelleme hükümleri vardır. Efemerisi elde etmek için gereken süre, ilk konum sabitlemesine giden gecikmenin önemli bir unsuru haline geliyor, çünkü alıcı donanımı daha yetenekli hale geldikçe, uydu sinyallerine kilitlenme süresi küçülüyor; ancak, düşük veri aktarım hızı nedeniyle, efemeris verisinin alınmasından önce 18 ila 36 saniye gerekir.

Frekans bilgisi

Küresel Konumlama Sistemi yayın sinyali.

Değişen kodların ve navigasyon mesajının uydudan alıcıya gitmesi için, bunların modüle edilmiş üzerine taşıyıcı dalga. Orijinal GPS tasarımı durumunda, iki frekans kullanılır; 1575.42'de birMHz (10.23 MHz × 154) L1 olarak adlandırılır; ve 1227.60 MHz'de (10.23 MHz × 120) L2 olarak adlandırılan bir saniye.

C / A kodu, L1 frekansı üzerinde iki fazlı bir kaydırma anahtarlaması kullanılarak 1.023 MHz sinyali olarak iletilir (BPSK ) modülasyon tekniği. P (Y) kodu hem L1 hem de L2 frekanslarında aynı BPSK modülasyonu kullanılarak 10.23 MHz sinyali olarak iletilir, ancak P (Y) kodu taşıyıcısı dördün C / A taşıyıcısı ile (yani, evre ).

Fazlalık ve sıkışmaya karşı artan direncin yanı sıra, bir uydudan iletilen iki frekansa sahip olmanın kritik bir yararı, doğrudan ölçüm ve dolayısıyla iyonosferik gecikme o uydu için hata. Böyle bir ölçüm olmadan, bir GPS alıcısının jenerik bir model kullanması veya başka bir kaynaktan iyonosferik düzeltmeler alması gerekir (örn. Geniş Alan Büyütme Sistemi veya WAAS ). Hem GPS uydularında hem de GPS alıcılarında kullanılan teknolojideki gelişmeler, iyonosferik gecikmeyi sinyalde kalan en büyük hata kaynağı haline getirmiştir. Bu ölçümü gerçekleştirme becerisine sahip bir alıcı, önemli ölçüde daha doğru olabilir ve tipik olarak çift ​​frekanslı alıcı.

Modernizasyon ve ek GPS sinyalleri

17 Temmuz 1995'te tam operasyonel kapasiteye ulaşmış^[19] GPS sistemi orijinal tasarım hedeflerini tamamladı. Ancak, teknolojideki ek gelişmeler ve mevcut sistemdeki yeni talepler GPS sistemini "modernize etme" çabalarına yol açtı. 1998'de Başkan Yardımcısı ve Beyaz Saray'dan yapılan açıklamalar, bu değişikliklerin başladığını müjdeledi ve 2000 yılında ABD Kongresi bu çabayı yeniden teyit etti. GPS III.

Proje, hem sivil hem de askeri kullanıcılar için ek navigasyon sinyalleri ile yeni yer istasyonları ve yeni uyduları içeriyor ve tüm kullanıcılar için doğruluğu ve kullanılabilirliği iyileştirmeyi hedefliyor. Müteahhitlere sunulan teşviklerle, 2011 yılına kadar tamamlamaları halinde 2013 yılı hedefi oluşturulmuştur.^{[güncellenmesi gerekiyor ]}

Genel Özellikler

Dünya dönerken hareket halindeki GPS takımyıldızının görsel bir örneği. Sayısının nasıl olduğuna dikkat edin görünümdeki uydular Dünya yüzeyinde belirli bir noktadan itibaren, bu örnekte 45 ° K, zamanla değişir.

Modernize edilmiş GPS sivil sinyalleri, eski benzerlerine göre iki genel iyileştirmeye sahiptir: bir veri toplama yardımı ve ileri hata düzeltme NAV mesajının (FEC) kodlaması.

Bir veri alma yardımcısı, bazı durumlarda pilot taşıyıcı olarak adlandırılan ve veri sinyalinin yanında yayınlanan ek bir sinyaldir. Bu verisiz sinyal, kodlanan veriden daha kolay elde edilecek şekilde tasarlanır ve başarılı bir edinim üzerine, veri sinyalini elde etmek için kullanılabilir. Bu teknik, GPS sinyalinin alınmasını iyileştirir ve ilişkilendiricideki güç seviyelerini artırır.

İkinci ilerleme, NAV mesajının kendisinde ileri hata düzeltme (FEC) kodlamasının kullanılmasıdır. NAV verilerinin nispeten yavaş iletim hızı nedeniyle (genellikle saniyede 50 bit), küçük kesintilerin potansiyel olarak büyük etkileri olabilir. Bu nedenle, NAV mesajındaki FEC, genel sinyal sağlamlığında önemli bir gelişmedir.

L2C

İlk duyurulardan biri, kaba / edinim (C / A) sinyali için kullanılan L1 frekansından farklı bir frekansta iletilecek yeni bir sivil kullanım sinyalinin eklenmesiydi. Nihayetinde, bu L2C sinyali haline geldi ve L2 frekansında yayınlandığı için bu şekilde adlandırıldı. Uydu üzerinde yeni donanım gerektirdiğinden, yalnızca sözde Block IIR-M ve daha sonra tasarım uyduları tarafından iletilir. L2C sinyali, navigasyonun doğruluğunu iyileştirmek, izlemesi kolay bir sinyal sağlamak ve yerelleştirilmiş parazit durumunda yedek bir sinyal olarak görev yapmakla görevlendirilmiştir.

C / A kodunun aksine, L2C, aralık bilgisi sağlamak için iki farklı PRN kodu dizisi içerir; sivil ılımlı kodu (CM olarak adlandırılır) ve sivil-uzun uzunluk kodu (CL olarak adlandırılır). CM kodu 10,230 bit uzunluğundadır ve her 20 ms'de bir tekrarlanır. CL kodu 767,250 bit uzunluğundadır ve her 1,500 ms'de bir tekrarlanır. Her sinyal saniyede 511,500 bit (bit / sn ); ancak onlar çok katlı 1.023.000 bit / s sinyal oluşturmak için birlikte.

CM modüle edilmiş CNAV Navigasyon Mesajı ile (aşağıya bakın), CL herhangi bir modüle edilmiş veri içermez ve veri dizisi. Uzun, veri içermeyen dizi, L1 C / A kodundan yaklaşık 24 dB daha fazla korelasyon (~ 250 kat daha güçlü) sağlar.

C / A sinyaliyle karşılaştırıldığında, L2C, 2.7 dB daha fazla veri kurtarma ve 0.7 dB daha fazla taşıyıcı izleme özelliğine sahiptir, ancak iletim gücü 2.3 dB daha zayıftır.

CM ve CL kodları

Sivil ılımlı ve medeni uzun menzilli kodlar, bir modüler LFSR önceden belirlenmiş bir başlangıç ​​durumuna periyodik olarak sıfırlanır. CM ve CL'nin periyodu, LFSR'nin doğal periyodu tarafından değil (C / A kodunda olduğu gibi) bu sıfırlama ile belirlenir. Başlangıç ​​durumları arayüz spesifikasyonunda belirtilmiştir ve farklı PRN numaraları ve CM / CL için farklıdır. Geri besleme polinomu / maskesi CM ve CL için aynıdır. Bu nedenle değişen kodlar şu şekilde verilir:

SANTİMETRE_ben(t) = Bir(X_ben,t mod 10 230)

CL_ben(t) = Bir(Y_ben,t mod 767250)

nerede:

SANTİMETRE_ben ve CL_ben PRN numarası için değişen kodlardır ben ve bunların argümanları, GPS haftasının başlangıcından / sonundan bu yana geçen (0'dan başlayarak) veya GPS zaman ölçeğinin başlangıcından bu yana eşdeğer olarak geçen yongaların tam sayısıdır (bkz. § Zaman ).

Bir(x, t), başlangıç ​​durumuyla başlatıldığında LFSR'nin çıktısıdır x saatlendikten sonra t zamanlar.

X_ben ve Y_ben sırasıyla CM ve CL için başlangıç ​​durumlarıdır. PRN numarası için ${displaystyle i}$.

mod, bölme işleminin geri kalanıdır.

t başlangıç ​​tarihinden itibaren CM ve CL çip dönemlerinin tam sayısıdır. GPS zamanı veya eşdeğer olarak, herhangi bir GPS saniyesinden beri (0'dan başlayarak).

Başlangıç ​​durumları, LFSR durumunun çıkış bitinin en az önemli bit olduğu bir sayının ikili gösterimi olarak yorumlandığı ve yeni bitlerin kaydırıldığı bit olarak yorumlandığı konvansiyonu takiben sekizlik olarak ifade edilen sayılar olarak GPS arayüz spesifikasyonunda açıklanmıştır. en önemli kısımdır. Bu kuralı kullanarak, LFSR en önemli bitten en az anlamlı bit'e geçer ve büyük endian düzeninde görüldüğünde sağa kayar. Eyaletler aradı son durum IS'de sonra elde edilir 10229 CM ve sonrası döngüleri 767249 LM döngüleri (her iki durumda da sıfırlamadan hemen önce).

Geri bildirim bit maskesi 100100101001001010100111100'dür₂. Yine en az anlamlı bitin LFSR'nin çıkış biti olduğu ve en önemli bitin LFSR'nin kaydırma biti olduğu kuralıyla, 0 geri bildirim olmadığı anlamına gelir içine bu konum ve 1 geri bildirim anlamına gelir içine bu pozisyon.

CNAV navigasyon mesajı

CNAV verileri, orijinal NAV navigasyon mesajının yükseltilmiş bir sürümüdür. NAV verilerinden daha yüksek kesinlik sunumu ve nominal olarak daha doğru veriler içerir. Aynı tür bilgiler (zaman, durum, efemeris ve almanak) hala yeni CNAV formatı kullanılarak iletilmektedir; ancak, bir çerçeve / alt çerçeve mimarisi kullanmak yerine, yeni bir sözde paketlenmiş 12 saniyelik 300 bitlik format mesajlar LNAV çerçevelerine benzer. LNAV çerçeveleri sabit bir bilgi içeriğine sahipken, CNAV mesajları tanımlanmış birkaç türden biri olabilir. Bir çerçevenin türü, bilgi içeriğini belirler. Mesajlar, hangi mesaj türlerinin kullanılacağına ilişkin sabit bir programı takip etmez ve Kontrol Segmentine biraz çok yönlülük sağlar. Bununla birlikte, bazı mesaj türleri için ne sıklıkla iletileceklerine dair daha düşük sınırlar vardır.

CNAV'da her 4 paketten en az 1'i efemeris verisidir ve aynı alt sınır saat veri paketleri için de geçerlidir.^[23] Tasarım, çok çeşitli paket türlerinin iletilmesine izin verir. 32 uydulu bir takımyıldız ve gönderilmesi gerekenlerin mevcut gereksinimleri ile bant genişliğinin% 75'inden daha azı kullanılır. Mevcut paket türlerinin yalnızca küçük bir kısmı tanımlanmıştır; bu, sistemin uyumluluğunu bozmadan büyümesini ve gelişmeleri kapsamasını sağlar.

Yeni CNAV mesajında ​​birçok önemli değişiklik var:

• Kullanır ileri hata düzeltme (FEC) 1/2 oranıyla sağlanır evrişimli kod, bu nedenle navigasyon mesajı 25 bit / s iken, 50 bit / s'lik bir sinyal iletilir.
• Mesajlar 24 bit taşır CRC, bütünlüğün kontrol edilebileceği.
• GPS hafta numarası artık 13 bit veya 8192 hafta olarak gösteriliyor ve yalnızca 157.0 yılda bir tekrar ediyor, yani bir sonraki sıfıra dönüş 2137 yılına kadar gerçekleşmeyecek. Bu, L1 NAV mesajının 10 kullanmasına kıyasla daha uzundur. -bit hafta numarası, her 19.6 yılda bir sıfıra döner.
• GPS'den GNSS'ye zaman farkı içeren bir paket var. Bu, diğer küresel zaman aktarım sistemleriyle daha iyi birlikte çalışabilirlik sağlar. Galileo ve GLONASS her ikisi de desteklenmektedir.
• Ekstra bant genişliği, farklı düzeltme için bir paketin dahil edilmesini sağlar ve benzer şekilde kullanılır. uydu tabanlı büyütme sistemleri ve L1 NAV saat verilerini düzeltmek için kullanılabilir.
• Her paket, uydu verilerine güvenilemiyorsa ayarlanacak bir uyarı bayrağı içerir. Bu, kullanıcıların bir uydunun artık kullanılamayacağını 12 saniye içinde bileceği anlamına gelir. Bu tür hızlı bildirim, havacılık gibi can güvenliği uygulamaları için önemlidir.
• Son olarak, sistem, L1 NAV mesajındaki 32 uyduya kıyasla 63 uyduyu destekleyecek şekilde tasarlanmıştır.

CNAV mesajları GPS haftasının başında / sonunda başlar ve biter artı 12 saniyenin tam sayı katı.^[24] Spesifik olarak, bir mesaj hakkında bilgi içerecek ilk bitin başlangıcı (halihazırda uygulanmış evrişim kodlaması ile), yukarıda bahsedilen senkronizasyonla eşleşir. CNAV mesajları, sabit bir bit örüntüsü olan ve amacı alıcının bir mesajın başlangıcını algılamasını sağlamak olan 8 bitlik bir başlangıç ​​eki ile başlar.

İletim hatası düzeltme kodu

evrişimli kod CNAV'ı kodlamak için kullanılan şu şekilde tanımlanmaktadır:

${displaystyle {egin {hizalı} X_ {1} (t) & = d (t) oplus d (t-2) oplus d (t-3) oplus d (t-5) oplus d (t-6) X_ {2} (t) & = d (t) oplus d (t-1) oplus d (t-2) oplus d (t-3) oplus d (t-6) d '(t') & = { egin {case} X_ {1} left ({frac {t '} {2}} ight) & {ext {if}} t'equiv 0 {pmod {2}} X_ {2} left ({frac {t '-1} {2}} ight) & {ext {if}} t'equiv 1 {pmod {2}} end {case}} end {align}}}$

nerede:

${displaystyle X_ {1}}$ ve ${displaystyle X_ {2}}$ evrişimli kodlayıcının sırasız çıktılarıdır

${displaystyle d}$ 300 bitlik mesajların basit bir şekilde birleştirilmesinden oluşan ham (FEC olarak kodlanmamış) gezinme verileridir.

${displaystyle t}$ tamsayı sayısı FEC kodlanmamış zaman içinde gelişigüzel bir noktadan beri geçen gezinme veri bitleri (0'dan başlar).

${displaystyle d '}$ FEC kodlu navigasyon verisidir.

${displaystyle t '}$ tamsayı sayısı FEC kodlu aynı dönemden beri geçen gezinme veri bitleri, ${displaystyle t}$ (aynı şekilde 0'dan başlar).

FEC kodlu bit akışı, daha önce açıklandığı gibi FEC kodlanmamış bitten 2 kat daha hızlı çalıştığından, o zaman ${displaystyle t = leftlfloor {frac {t '} {2}} ightfloor}$. FEC kodlaması, navigasyon mesajı sınırlarından bağımsız olarak gerçekleştirilir;^[25] bu yukarıdaki denklemlerden izler.

L2C frekans bilgisi

İki sivil frekansın iletilmesinin anlık bir etkisi, sivil alıcıların artık iyonosferik hatasını ikili frekanslı P (Y) kodlu alıcılarla aynı şekilde doğrudan ölçebilmesidir. Bununla birlikte, tek başına L2C sinyalini kullanan kullanıcılar, iyonosferik hataya bağlı olarak, yalnızca L1 sinyaline göre% 65 daha fazla konum belirsizliği bekleyebilir.^[26]

Askeri (M kodu)

Modernizasyon sürecinin önemli bir bileşeni, yeni bir askeri sinyaldir. Askeri kod veya M kodu olarak adlandırılan bu kod, askeri GPS sinyallerinin parazit önleme ve güvenli erişimini daha da geliştirmek için tasarlandı.

Bu yeni, kısıtlanmış kod hakkında çok az şey yayınlandı. 5,115 MHz'de iletilen, uzunluğu bilinmeyen bir PRN kodu içerir. P (Y) kodunun aksine, M kodu otonom olacak şekilde tasarlanmıştır, yani bir kullanıcı konumlarını yalnızca M kodu sinyalini kullanarak hesaplayabilir. P (Y) kodunun orijinal tasarımından, kullanıcıların önce C / A koduna kilitlenmesi ve ardından kilidi P (Y) koduna aktarması gerekiyordu. Daha sonra, bazı kullanıcıların P (Y) koduyla özerk olarak çalışmasına izin veren doğrudan edinim teknikleri geliştirildi.

MNAV navigasyon mesajı

Yeni navigasyon mesajı hakkında biraz daha fazla şey biliniyor. MNAV. Yeni CNAV'a benzer şekilde, bu yeni MNAV, çok esnek veri yüklerine izin verecek şekilde çerçevelenmiş yerine paketlenmiştir. Ayrıca CNAV gibi, İleri Hata Düzeltme (FEC) ve gelişmiş hata algılama (örn. CRC ).

M kodu frekans bilgisi

M kodu, önceki askeri kod olan P (Y) kodu tarafından halihazırda kullanımda olan aynı L1 ve L2 frekanslarında iletilir. Yeni sinyal, enerjisinin çoğunu kenarlara (mevcut P (Y) ve C / A taşıyıcılarından uzağa) yerleştirecek şekilde şekillendirilmiştir.

Önceki GPS tasarımlarından büyük bir sapmada, M kodunun, tam Dünya antenine ek olarak yüksek kazançlı yönlü bir antenden yayınlanması amaçlanmıştır. Nokta ışını olarak adlandırılan bu yönlü antenin sinyalinin belirli bir bölgeyi (birkaç yüz kilometre çapında) hedeflemesi ve yerel sinyal gücünü 20 dB veya yaklaşık 100 kat daha güçlü artırması amaçlanmıştır. İki antene sahip olmanın bir yan etkisi, GPS uydusunun, spot ışının içindekilere aynı pozisyonu işgal eden iki GPS uydusu gibi görünmesidir. Tüm Dünya M kodu sinyali Block IIR-M uydularında mevcutken, spot ışın antenleri, Blok III uyduları Aralık 2018'de başlayan dağıtıldı.

Her uydunun dört ayrı sinyal göndermesinin ilginç bir yan etkisi, MNAV'nin potansiyel olarak dört farklı veri kanalını iletebilmesi ve artırılmış veri bant genişliği sunmasıdır.

Modülasyon yöntemi ikili ofset taşıyıcı 5.115 MHz koduna karşı 10.23 MHz alt taşıyıcı kullanarak. Bu sinyal, önemli ölçüde ayrılmış yan bant lobları ile yaklaşık 24 MHz'lik bir genel bant genişliğine sahip olacaktır. Yan bantlar sinyal alımını iyileştirmek için kullanılabilir.

L5

L5 sinyali, hava taşıtı hassas yaklaşma rehberliği gibi hayati önem taşıyan uygulamalar için yeterince güvenli ve sağlam bir radyonavigasyon aracı sağlar. Sinyal, tarafından korunan bir frekans bandında yayınlanır. İTÜ için havacılık radyonavigasyon hizmetleri. İlk olarak uydudan gösterildi ABD-203 (Blok IIR-M) ve tüm uydularda GPS IIF. L5 bandı, parazit azaltma, uluslararası olarak korunan bant, mevcut bantlarla fazlalık, jeostasyonel uydu büyütme ve yer tabanlı büyütme şeklinde ek sağlamlık sağlar. Bu bandın ek sağlamlığı, karasal uygulamalara da fayda sağlar.^[27]

L5'e dörtlü olarak iki PRN aralık kodu iletilir: eş fazlı kod ( I5 kodu) ve dört evreli kod (adı Q5 kodu). Her iki kod da 10,230 bit uzunluğundadır, 10,23 MHz'de (1 ms tekrarlama süresi) iletilir ve aynı şekilde oluşturulur (yalnızca başlangıç ​​durumlarında farklılık gösterir). Ardından, I5, navigasyon verileri (L5 CNAV olarak adlandırılır) ve 10 bitlik bir Neuman-Hofman kodu 1 kHz'de saat hızına sahiptir. Benzer şekilde, Q5 kodu daha sonra modüle edilir, ancak yine de 1 kHz'de saat hızına sahip sadece 20 bitlik bir Neuman-Hofman kodu ile modüle edilir.

L1 C / A ve L2 ile karşılaştırıldığında, bunlar L5'teki bazı değişikliklerdir:

• Gelişmiş performans için geliştirilmiş sinyal yapısı
• L1 / L2 sinyalinden daha yüksek iletim gücü (~ 3 dB veya 2 kat daha güçlü)
• Daha geniş bant genişliği, 10 × işleme kazancı, daha keskin otokorelasyon sağlar (mutlak olarak, çip süresi süresine göre değil) ve alıcıda daha yüksek bir örnekleme hızı gerektirir.
• Daha uzun serpme kodları (C / A'dan 10 kat daha uzun)
• Havacılık Radyonavigasyon Hizmetleri bandını kullanır

I5 ve Q5 kodları

I5 kodu ve Q5 kodu aynı yapı kullanılarak ancak farklı parametrelerle üretilir. These codes are the combination (by exclusive-or) of the output of 2 differing linear-feedback shift registers (LFSRs) which are selectively reset.

5_ben(t) = U(t) ⊕ V_ben(t)

U(t) = XA((t mod 10 230) mod 8 190)

V_ben(t) = XB_ben(X_ben, t mod 10 230)

nerede:

ben bir sıralı çift (P, n) nerede P ∈ {I, Q} for in-phase and quadrature-phase, and n a PRN number; both phases and a single PRN are required for the L5 signal from a single satellite.

5_ben is the ranging codes for ben; also denoted as I5_n and Q5_n.

U ve V_ben are intermediate codes, with U not depending on phase veya PRN.

The output of two 13-stage LFSRs with clock state t ' kullanıldı:

XA(x,t ') has feedback polynomial x¹³ + x¹² + x¹⁰ + x⁹ + 1, and initial state 1111111111111₂.

XB_ben(x,t ') has feedback polynomial x¹³ + x¹² + x⁸ + x⁷ + x⁶ + x⁴ + x³ + x + 1, and initial state X_ben.

X_ben is the initial state specified for the phase and PRN number given by ben (designated in the IS^[28]).

t is the integer number of chip periods since the origin of GPS zamanı or equivalently, since any GPS second (starting from 0).

Bir ve B are maximal length LFSRs. The modulo operations correspond to resets. Note that both are reset each millisecond (synchronized with C/A code epochs). In addition, the extra modulo operation in the description of Bir is due to the fact it is reset 1 cycle before its natural period (which is 8,191) so that the next repetition becomes offset by 1 cycle with respect to B^[29] (otherwise, since both sequences would repeat, I5 and Q5 would repeat within any 1 ms period as well, degrading correlation characteristics).

L5 navigation message

The L5 CNAV data includes SV ephemerides, system time, SV clock behavior data, status messages and time information, etc. The 50 bit/s data is coded in a rate 1/2 convolution coder. The resulting 100 symbols per second (sps) symbol stream is modulo-2 added to the I5-code only; the resultant bit-train is used to modulate the L5 in-phase (I5) carrier. This combined signal is called the L5 Data signal. The L5 quadrature-phase (Q5) carrier has no data and is called the L5 Pilot signal. The format used for L5 CNAV is very similar to that of L2 CNAV. One difference is that it uses 2 times the data rate. The bit fields within each message,^[30] message types, and forward error correction code algorithm are the same as those of L2 CNAV. L5 CNAV messages begin and end at start/end of GPS week plus an integer multiple of 6 seconds (this applies to the beginning of the first bit to contain information about a message, as is the case for L2 CNAV).^[31]

L5 frequency information

Broadcast on the L5 frequency (1176.45 MHz, 10.23 MHz × 115), which is an havacılık navigation band. The frequency was chosen so that the aviation community can manage interference to L5 more effectively than L2.^[31]

L1C

L1C is a civilian-use signal, to be broadcast on the L1 frequency (1575.42 MHz), which contains the C/A signal used by all current GPS users. The L1C will be available with the first Block III launch, tentatively scheduled for the first half of fiscal year 2017.^[32]

L1C consists of a pilot (called L1C_P) and a data (called L1C_D) component.^[33] These components use carriers with the same phase (within a margin of error of 100 miliradyalılar ), instead of carriers in quadrature as with L5.^[34] The PRN codes are 10,230 bits long and transmitted at 1.023 Mbit/s. The pilot component is also modulated by an overlay code called L1C_Ö (a secondary code that has a lower rate than the ranging code and is also predefined, like the ranging code).^[33] Of the total L1C signal power, 25% is allocated to the data and 75% to the pilot. The modulation technique used is BOC (1,1) for the data signal and TMBOC for the pilot. Zaman multiplexed binary offset carrier (TMBOC) is BOC(1,1) for all except 4 of 33 cycles, when it switches to BOC(6,1).

• Implementation will provide C/A code to ensure backward compatibility
• Assured of 1.5 dB increase in minimum C/A code power to mitigate any noise floor increase
• Data-less signal component pilot carrier improves tracking compared with L1 C/A
• Enables greater civil interoperability with Galileo L1

L1C ranging code

The L1C pilot and data ranging codes are based on a Legendre dizisi uzunluk ile 10223 used to build an intermediate code (called a Weil code) which is expanded with a fixed 7-bit sequence to the required 10,230 bits. This 10,230-bit sequence is the ranging code and varies between PRN numbers and between the pilot and data components. The ranging codes are described by:^[35]

${displaystyle { egin{aligned}{ ext{L1C}}_{i}(t)&={ ext{L1C}}'(t{ mod {10,230}}){ ext{L1C}}'_{i}(t')&={ egin{cases}W_{i}(t')&{ ext{ if }}t'$

nerede:

${displaystyle { ext{L1C}}_{i}}$ is the ranging code for PRN number and component ${displaystyle i}$.

${displaystyle { ext{L1C}}'_{i}}$ represents a period of ${displaystyle { ext{L1C}}_{i}}$; it is introduced only to allow a more clear notation. To obtain a direct formula for ${displaystyle { ext{L1C}}}$ start from the right side of the formula for ${displaystyle { ext{L1C}}'}$ and replace all instances of ${displaystyle t '}$ ile ${displaystyle t{ mod {10,230}}}$.

${displaystyle t}$ is the integer number of L1C chip periods (which is ​¹⁄_1.023 µs) since the origin of GPS zamanı or equivalently, since any GPS second (starting from 0).

${displaystyle i}$ bir sıralı çift identifying a PRN number and a code (L1C_P or L1C_D) and is of the form ${displaystyle ({ ext{P}},n)}$ veya ${displaystyle ({ ext{D}},n)}$ nerede ${displaystyle n}$ is the PRN number of the satellite, and ${displaystyle { ext{P, D}}}$ vardır semboller (not variables) that indicate the L1C_P code or L1C_D code, respectively.

${displaystyle L}$ is an intermediate code: a Legendre sequence whose alan adı is the set of integers ${displaystyle n}$ hangisi için ${displaystyle 0leq nleq 10,222}$.

${displaystyle W_ {i}}$ is an intermediate code called Weil code, with the same domain as ${displaystyle L}$.

${displaystyle S}$ is a 7-bit long sequence defined for 0 tabanlı indexes 0 to 6.

${displaystyle p'_{i}}$ ... 0 tabanlı insertion index of the sequence ${displaystyle S}$ into the ranging code (specific for PRN number and code ${displaystyle i}$). It is defined in the Interface Specification (IS) as a 1-based index ${displaystyle p}$bu nedenle ${displaystyle p'_{i}=p_{i}-1}$.^[36]

${displaystyle w_ {i}}$ is the Weil index for PRN number and code ${displaystyle i}$ designated in the IS.^[36]

${displaystyle operatorname {mod} }$ is the remainder of division (or modulo) operation, which differs to the notation in statements of modular congruence, also used in this article.

According to the formula above and the GPS IS, the first ${displaystyle w_ {i}}$ bits (equivalently, up to the insertion point of ${displaystyle S}$) nın-nin ${displaystyle { ext{L1C}}'_{i}}$ ve ${displaystyle { ext{L1C}}}$ are the first bits the corresponding Weil code; the next 7 bits are ${displaystyle S}$; the remaining bits are the remaining bits of the Weil code.

The IS asserts that ${displaystyle 0leq p'_{i}leq 10,222}$.^[37] For clarity, the formula for ${displaystyle { ext{L1C}}'_{i}}$ does not account for the hypothetical case in which ${displaystyle p'_{i}>10,222}$, which would cause the instance of ${displaystyle S}$ içine yerleştirilmiş ${displaystyle { ext{L1C}}'_{i}}$ to wrap from index 10229 0'a kadar.

L1C overlay code

The overlay codes are 1,800 bits long and is transmitted at 100 bit/s, synchronized with the navigation message encoded in L1C_D.

For PRN numbers 1 to 63 they are the truncated outputs of maximal period LFSRs which vary in initial conditions and feedback polynomials.^[38]

For PRN numbers 64 to 210 they are truncated Gold codes generated by combining 2 LFSR outputs (${displaystyle { ext{S1}}_{i}}$ ve ${displaystyle { ext{S2}}_{i}}$, nerede ${displaystyle i}$ is the PRN number) whose initial state varies. ${displaystyle { ext{S1}}_{i}}$ has one of the 4 feedback polynomials used overall (among PRN numbers 64–210). ${displaystyle { ext{S2}}_{i}}$ has the same feedback polynomial for all PRN numbers in the range 64–210.^[39]

CNAV-2 navigation message

The L1C navigation data (called CNAV-2) is broadcast in 1,800 bits long (including FEC) frames and is transmitted at 100 bit/s.

The frames of L1C are analogous to the messages of L2C and L5. Süre L2 CNAV ve L5 CNAV use a dedicated message type for ephemeris data, all CNAV-2 frames include that information.

The common structure of all messages consists of 3 frames, as listed in the adjacent table. The content of subframe 3 varies according to its page number which is analogous to the type number of L2 CNAV and L5 CNAV messages. Pages are broadcast in an arbitrary order.^[40]

The time of messages (not to be confused with clock correction parameters) is expressed in a different format than the format of the previous civilian signals. Instead it consists of 3 components:

1. hafta numarası, with the same meaning as with the other civilian signals. Each message contains the week number modulo 8,192 or equivalently, the 13 least significant bits of the week number, allowing direct specification of any date within a cycling 157-year range.
2. Bir interval time of week (ITOW): the integer number of 2 hour periods elapsed since the latest start/end of week. It has range 0 to 83 (inclusive), requiring 7 bits to encode.
3. Bir time of interval (TOI): the integer number of 18 second periods elapsed since the period represented by the current ITOW to the beginning of the Sonraki İleti. It has range 0 to 399 (inclusive) and requires 9 bits of data.

TOI is the only content of subframe 1. The week number and ITOW are contained in subframe 2 along with other information.

Subframe 1 is encoded by a modified BCH kodu. Specifically, the 8 least significant bits are BCH encoded to generate 51 bits, then combined using özel veya with the most significant bit and finally the most significant bit is appended as the most significant bit of the previous result to obtain the final 52 bits.^[41] Subframes 2 and 3 are individually expanded with a 24-bit CRC, then individually encoded using a düşük yoğunluklu eşlik denetimi kodu, ve daha sonra aralıklı as a single unit using a block interleaver.^[42]

Overview of frequencies

Tüm uydular aynı iki frekansta yayın yapar: 1.57542 GHz (L1 sinyali) ve 1.2276 GHz (L2 sinyali). The satellite network uses a CDMA spread-spectrum technique where the low-bitrate message data is encoded with a high-rate sözde rastgele gürültü Her uydu için farklı olan (PRN) dizisi. Alıcı, gerçek mesaj verilerini yeniden oluşturmak için her uydu için PRN kodlarının farkında olmalıdır. Sivil kullanım için C / A kodu, 1.023 milyon veri iletiyor cips ABD askeri kullanımı için saniyede P kodu saniyede 10,23 milyon yonga aktarır. L1 taşıyıcısı hem C / A hem de P kodları tarafından modüle edilirken, L2 taşıyıcısı yalnızca P kodu ile modüle edilir.^[44] The P code can be encrypted as a so-called P(Y) code which is only available to military equipment with a proper decryption key. Hem C / A hem de P (Y) kodları kullanıcıya kesin günün saatini verir.

Each composite signal (in-phase and quadrature phase) becomes:

${displaystyle S(t)={sqrt {P_{operatorname {I} }}}X_{operatorname {I} }(t)cos left(omega t+phi _{0}ight)-{sqrt {P_{operatorname {Q} }}}X_{operatorname {Q} }(t)underbrace {sin left(omega t+phi _{0}ight)} _{-cos left(omega t+phi _{0}+{frac {pi }{2}}ight)},}$

nerede ${displaystyle scriptstyle P_{operatorname {I} }}$ ve ${displaystyle scriptstyle P_{operatorname {Q} }}$ represent signal powers; ${displaystyle scriptstyle X_{operatorname {I} }(t)}$ ve ${displaystyle scriptstyle X_{operatorname {Q} }(t)}$ represent codes with/without data ${displaystyle scriptstyle (=;pm 1)}$. This is a formula for the ideal case (which is not attained in practice) as it does not model timing errors, noise, amplitude mismatch between components or quadrature error (when components are not exactly in quadrature).

Demodülasyon ve kod çözme

Coarse / Acquisition kullanarak GPS Uydu Sinyallerini Demodüle Etme ve Kod Çözme Altın kodu.

A GPS receiver processes the GPS signals received on its antenna to determine position, velocity and/or timing. The signal at antenna is amplified, down converted to baseband or intermediate frequency, filtered (to remove frequencies outside the intended frequency range for the digital signal that would alias into it) and digitalized; these steps may be chained in a different order. Note that aliasing is sometimes intentional (specifically, when az örnekleme is used) but filtering is still required to discard frequencies not intended to be present in the digital representation.

For each satellite used by the receiver, the receiver must first elde etmek the signal and then Izlemek it as long as that satellite is in use; both are performed in the digital domain in by far most (if not all) receivers.

Acquiring a signal is the process of determining the frequency and code phase (both relative to receiver time) when it was previously unknown. Code phase must be determined within an accuracy that depends on the receiver design (especially the tracking loop); 0.5 times the duration of code chips (approx. 0.489 µs) is a representative value.

Tracking is the process of continuously adjusting the estimated frequency and phase to match the received signal as close as possible and therefore is a faz kilitli döngü. Note that acquisition is performed to start using a particular satellite, but tracking is performed as long as that satellite is in use.

In this section, one possible procedure is described for L1 C/A acquisition and tracking, but the process is very similar for the other signals. The described procedure is based on computing the ilişki of the received signal with a locally generated replica of the ranging code and detecting the highest peak or lowest valley. The offset of the highest peak or lowest valley contains information about the code phase relative to receiver time. The duration of the local replica is set by receiver design and is typically shorter than the duration of navigation data bits, which is 20 ms.

Edinme

Acquisition of a given PRN number can be conceptualized as searching for a signal in a bidimensional search space where the dimensions are (1) code phase, (2) frequency. In addition, a receiver may not know which PRN number to search for, and in that case a third dimension is added to the search space: (3) PRN number.

Frekans alanı

The frequency range of the search space is the band where the signal may be located given the receiver knowledge. taşıyıcı frekansı varies by roughly 5 kHz due to the Doppler effect when the receiver is stationary; if the receiver moves, the variation is higher. The code frequency deviation is 1/1,540 times the carrier frequency deviation for L1 because the code frequency is 1/1,540 of the carrier frequency (see § Frequencies used by GPS ). The down conversion does not affect the frequency deviation; it only shifts all the signal frequency components down. Since the frequency is referenced to the receiver time, the uncertainty in the receiver oscillator frequency adds to the frequency range of the search space.

Code phase space

The ranging code has a period of 1,023 chips each of which lasts roughly 0.977 µs (see § Coarse/acquisition code ). The code gives strong autocorrelation only at offsets less than 1 in magnitude. The extent of the search space in the code phase dimension depends on the granularity of the offsets at which correlation is computed. It is typical to search for the code phase within a granularity of 0.5 chips or finer; that means 2,046 offsets. There may be more factors increasing the size of the search space of code phase. For example, a receiver may be designed so as to examine 2 consecutive windows of the digitalized signal, so that at least one of them does not contain a navigation bit transition (which worsens the correlation peak); this requires the signal windows to be at most 10 ms long.

PRN number space

The lower PRN numbers range from 1 to 32 and therefore there are 32 PRN numbers to search for when the receiver does not have information to narrow the search in this dimension. The higher PRN numbers range from 33 to 66. See § Navigation message.

If the almanac information has previously been acquired, the receiver picks which satellites to listen for by their PRNs. If the almanac information is not in memory, the receiver enters a search mode and cycles through the PRN numbers until a lock is obtained on one of the satellites. Bir kilit elde etmek için, alıcıdan uyduya engelsiz bir görüş hattı olması gerekir. The receiver can then decode the almanac and determine the satellites it should listen for. As it detects each satellite's signal, it identifies it by its distinct C/A code pattern.

Basit korelasyon

The simplest way to acquire the signal (not necessarily the most effective or least computationally expensive) is to compute the nokta ürün of a window of the digitalized signal with a set of locally generated replicas. The locally generated replicas vary in carrier frequency and code phase to cover all the already mentioned search space which is the Kartezyen ürün of the frequency search space and the code phase search space. The carrier is a complex number where real and imaginary components are both sinüzoidler tanımladığı gibi Euler formülü. The replica that generates the highest magnitude of dot product is likely the one that best matches the code phase and frequency of the signal; therefore, if that magnitude is above a threshold, the receiver proceeds to track the signal or further refine the estimated parameters before tracking. The threshold is used to minimize false positives (apparently detecting a signal when there is in fact no signal), but some may still occur occasionally.

Using a complex carrier allows the replicas to match the digitalized signal regardless of the signal's carrier phase and to detect that phase (the principle is the same used by the Fourier dönüşümü ). The dot product is a complex number; its magnitude represents the level of similarity between the replica and the signal, as with an ordinary ilişki of real-valued time series. tartışma of the dot product is an approximation of the corresponding carrier in the digitalized signal.

As an example, assume that the granularity for the search in code phase is 0.5 chips and in frequency is 500 Hz, then there are 1,023/0.5 = 2,046 code phases ve 10,000 Hz/500 Hz = 20 frequencies to try for a total of 20×2,046 = 40,920 local replicas. Note that each frequency bin is centered on its interval and therefore covers 250 Hz in each direction; for example, the first bin has a carrier at −4.750 Hz and covers the interval −5,000 Hz to −4,500 Hz. Code phases are equivalent modulo 1,023 because the ranging code is periodic; for example, phase −0.5 is equivalent to phase 1,022.5.

The following table depicts the local replicas that would be compared against the digitalized signal in this example. "•" means a single local replica while "..." is used for elided local replicas:

Fourier dönüşümü

As an improvement over the simple correlation method, it is possible to implement the computation of dot products more efficiently with a Fourier dönüşümü. Instead of performing one dot product for each element in the Cartesian product of code and frequency, a single operation involving FFT and covering all frequencies is performed for each code phase; each such operation is more computationally expensive, but it may still be faster overall than the previous method due to the efficiency of FFT algorithms, and it recovers carrier frequency with a higher accuracy, because the frequency bins are much closely spaced in a DFT.

Specifically, for all code phases in the search space, the digitalized signal window is multiplied element by element with a local replica of the code (with no carrier), then processed with a ayrık Fourier dönüşümü.

Given the previous example to be processed with this method, assume real-valued data (as opposed to complex data, which would have in-phase and quadrature components), a sampling rate of 5 MHz, a signal window of 10 ms, and an intermediate frequency of 2.5 MHz. There will be 5 MHz×10 ms = 50,000 samples in the digital signal, and therefore 25,001 frequency components ranging from 0 Hz to 2.5 MHz in steps of 100 Hz (note that the 0 Hz component is real because it is the average of a real-valued signal and the 2.5 MHz component is real as well because it is the kritik frekans ). Only the components (or bins) within 5 kHz of the central frequency are examined, which is the range from 2.495 MHz to 2.505 MHz, and it is covered by 51 frequency components. Var 2,046 code phases as in the previous case, thus in total 51×2,046 = 104,346 complex frequency components will be examined.

Circular correlation with Fourier transform

Likewise, as an improvement over the simple correlation method, it is possible to perform a single operation covering all code phases for each frequency bin. The operation performed for each code phase bin involves forward FFT, element-wise multiplication in the frequency domain. inverse FFT, and extra processing so that overall, it computes circular ilişki instead of circular kıvrım. This yields more accurate code phase determination den simple correlation method in contrast with the previous method, which yields more accurate carrier frequency determination than the previous method.

Tracking and navigation message decoding

Since the carrier frequency received can vary due to Doppler shift, the points where received PRN sequences begin may not differ from O by an exact integral number of milliseconds. Because of this, carrier frequency tracking along with PRN code tracking are used to determine when the received satellite's PRN code begins.^[45] Unlike the earlier computation of offset in which trials of all 1,023 offsets could potentially be required, the tracking to maintain lock usually requires shifting of half a pulse width or less. To perform this tracking, the receiver observes two quantities, phase error and received frequency offset. The correlation of the received PRN code with respect to the receiver generated PRN code is computed to determine if the bits of the two signals are misaligned. Comparisons of the received PRN code with receiver generated PRN code shifted half a pulse width early and half a pulse width late are used to estimate adjustment required.^[46] The amount of adjustment required for maximum correlation is used in estimating phase error. Received frequency offset from the frequency generated by the receiver provides an estimate of phase rate error. The command for the frequency generator and any further PRN code shifting required are computed as a function of the phase error and the phase rate error in accordance with the control law used. The Doppler velocity is computed as a function of the frequency offset from the carrier nominal frequency. The Doppler velocity is the velocity component along the line of sight of the receiver relative to the satellite.

As the receiver continues to read successive PRN sequences, it will encounter a sudden change in the phase of the 1,023-bit received PRN signal. This indicates the beginning of a data bit of the navigation message.^[47] This enables the receiver to begin reading the 20 millisecond bits of the navigation message. The TLM word at the beginning of each subframe of a navigation frame enables the receiver to detect the beginning of a subframe and determine the receiver clock time at which the navigation subframe begins. The HOW word then enables the receiver to determine which specific subframe is being transmitted.^[10][11] There can be a delay of up to 30 seconds before the first estimate of position because of the need to read the ephemeris data before computing the intersections of sphere surfaces.

After a subframe has been read and interpreted, the time the next subframe was sent can be calculated through the use of the clock correction data and the HOW. The receiver knows the receiver clock time of when the beginning of the next subframe was received from detection of the Telemetry Word thereby enabling computation of the transit time and thus the pseudorange. The receiver is potentially capable of getting a new pseudorange measurement at the beginning of each subframe or every 6 seconds.

Then the orbital position data, or efemeris, from the navigation message is used to calculate precisely where the satellite was at the start of the message. A more sensitive receiver will potentially acquire the ephemeris data more quickly than a less sensitive receiver, especially in a noisy environment.^[48]

Ayrıca bakınız

• Eş fazlı ve karesel bileşenler

Kaynaklar ve referanslar

Kaynakça

GPS Interface Specification

• "GPS Interface Specification (GPS-IS-200K)" (PDF). 4 Mart 2019. (describes L1, L2C and P).
• "GPS Interface Specification (GPS-IS-705F)" (PDF). 4 Mart 2019. (describes L5).
• "GPS Interface Specification (GPS-IS-800E)" (PDF). 4 Mart 2019. (describes L1C).

Notlar