ВВС США, управление GPS установило причину возникновения ошибок определения псевдодальностей в диапазонах L1 и L2 на новом спутнике глобального позиционирования SVN49. Причина исходит от непродуманного способа монтажа блока генерации сигналов L5.

    Утечка сигнала между двумя входными портами передающей антенны создает второй паразитный сигнал с задержкой около 30 наносекунд и появляются помехи.

    Пока происходит отладка сигнала для уменьшения влияния возникшей проблемы на все наземные GPS приемники, управление GPS заинтересовано услышать от производителей оборудования GPS и пользователей услуг GPS мнения по поводу качества принятия сигналов SVN49 в широком ряде устройств и приложений в действии перед тем, как окончательно решить, какие действия применять к спутнику для его правильной работы.

    Седьмой модернизированный спутник из серии GPS Block IIR был запущен 24 Марта 2009 года. Этот спутник является уникальным из-за своего двойного имени. Первое имя SVN49, где число 49 - порядковый номер из уже запущенных спутников, а второе имя PRN01 исходит из выражения pseudorandom noise code identifier, что означает идентификатор кода в псевдослучайном шуме.

    Помимо уже работающих закодированных сигналов частот GPS C/A-code и P(Y)-code , а также нового типа гражданского сигнала L2C и военного M-code на основе частот L1 (1575.42 MHz) и L2 (1227.6 MHz), на спутнике установлен опытно-демонстративный блок с частотой L5. L5 является новым гражданским сигналом, который будет передаваться на частоте 1176.45 MHz со спутника SVN49 и со всех последующих поколений спутников.

    Этот опытно-демонстративный блок был добавлен для резервирования частоты, которая была выделена Международным союзом телекоммуникаций, чтобы не упустить права на нее, которые истекли бы 26 Августа, 2009 года.

    Данный временной период был выделен 7 лет назад, когда и была подана заявка на использование этой частоты в пользу системы GPS. Программа развития спутников серии Block IIF была затянута во времени и, чтобы не потерять все созданные наработки, на спутник SVN49 был помещен опытно-демонстративный модуль L5. 28 Марта системы L1/L2 на спутнике SVN49 были запущены и сразу стало ясно о наличии небольшой проблемы. Данные псевдодальности, получаемые с помощью станций слежения ВВС США имели большие, чем ожидалось, погрешности. Обычно погрешность имеет случайную характеристику, где среднее значение равно нулю, а наибольшая разность показаний имеет значение 2 метра.

    Тем не менее, после исправления ионосферных ошибок, разность показаний составляла все 4 метра и после сравнения данных угла подъема, который фиксируется на каждой станции слежения, была выявлена определенная закономерность (См. рис.1).

    Хотя разность показаний больше, чем следует, величина погрешности не выходит за рамки допустимых пределов, специфичных для GPS сигналов. Все же аномальное поведение сигналов от спутника SVN49 была основной причиной возникшего беспокойства из главного офиса управления GPS. Специалисты GPS и их партнеры выполнили все усилия для обнаружения причины.

 

Рис.1. Преломленные ионосферные исправленные разности сигналов от SVN49 L1 полученные от 2 станций слежения GPS

    В результате специалистами анализа было выявлено, что причина возникновения аномалий лежит в способе крепления блока L5 к конструкции спутника. Для полного понимания обнаруженной проблемы, необходимо сначала понять, как передаются сигналы L1 и L2 из спутника позиционирования.

    Главной и определяющей чертой GPS сигнала является то, что мощность полученного сигнала должна быть равномерной в любой точке земной поверхности в поле зрения спутника.

    Проще говоря, нужно получить равную силу сигнала независимо от нахождения спутника относительно абонента, то есть если спутник находится в зените (ближайшее расстояние) или над горизонтом (дальнее расстояние). В случае присутствия крупных разностных значений уровня сигнала, который наблюдается абонентом, возможно наличие неравномерное усиление сигнала в самой антенне приемника.

    Для достижения равномерной мощности сигнала на поверхности Земли , GPS спутник использует массив из 12 спиралевидных антенных элементов, где внутреннее кольцо содержит 4 элемента и внешнее кольцо – 8 элементов. Все элементы питаются сетью соединительных проводов (См. Рис.2).

    Сигналы L1 и L2 подаются из соединительного провода через один из разъемов входного сигнала: порт J1.

    Внутреннее кольцо элементов передает большинство мощности сигналов L1 и L2 из порта J1 с широкой направленностью, тогда как внешнее кольцо передает с более узкой направленностью и более слабым сигналом и с разной фазой.

    Общий результат такой конструкции направлен на уменьшение излученной энергии из внутреннего кольца при высоких углах наклона и, наоборот, на увеличение излучаемой энергии при низких углах наклона. Таким способом и достигается почти равномерное распределение мощности сигнала на поверхности Земли.

Рис.2. Расположение спиралевидных элементов на антенне GPS спутника (управление GPS). 

    Второй разъем питания антенны J2 используется на спутнике SVN49 для передачи сигнала L5 на массив спиралевидных антенных элементов через фильтр и 411 сантиметровый кабель.

    Большая часть энергии из разъема J2 идет во внешнее кольцо, тогда как меньшая часть поступает во внутреннее кольцо – в обратном порядке по сравнению с рапсределением энергии из порта J1.

    Вот почему первоначальные сведения от сигнала L5 отобразили его повышенную направленность с гораздо более слабыми сигналами при низких углах наклона по сравнению с поведением сигналов L1 и L2.

    Тем не менее это поведение было предсказуемым.

    Оказалось так, что некоторая часть сигнала L1 и L2 из порта J1 использует и второй J2 порт, который затем отражается от фильтра сигнала L5 и затем передается через порт J2 с примерной задержкой в 30 наносекунд. По-хорошему, факт утечки сигнала из порта J1 в порт J2 и дальнейшего его отражения от фильтра L5 должен был быть устранен еще на земле.

    В результате на Земле приемник видит оба сигнала: прямой сигнал и более слабый отраженный, который выглядит как помеха.

    Специалисты из управления GPS и их партнеры попытались смоделировать эффект отраженного сигнала на измерительных устройствах GPS приемника.

    Согласно проведенному моделированию, если прямой и отраженный L1 сигналы состоят в одной фазе в положении спутника в зените, то обычный приемник измерит код сигнала C/A-code, псевдодальность которой 1.62 метра является слишком длинной.

    Ошибка становится все меньше по мере падения угла подъема, согласно падению уровня мощности отраженного сигнала. Сигнал достигает нуля при угле наклона равным около 42 градусов и затем сигнал медленно увеличивается по мере уменьшения угла наклона к нулю (См.рис.3).

 

Рис. 3. Модель разностей показаний между сигналом SVN49 L1 с задержкой (multipath) и прямыми сигналами (courtesy GPS Wing).

    Точно такое же поведение ожидается и для кодировки L1 P(Y)-псевдовысот. Максимальные погрешности L2 P(Y) равны нулю если прямой и отраженные сигналы L2 сдвинуты по фазе на 90 градусов, или равны максимальным значениям равным 0.95 метра если прямой и отраженный сигналы однофазны и минус 1.1 метра, если фазы противоположны. Наземные тесты должны выявить какая из этих предположений лучше описывает поведение реальных сигналов. Ожидается что сигнал L2С ведет себя похожим образом как и сигнал L2 P(Y).

    Если псевдовысоты без ионосферных погрешностей будут рассчитаны из L1 и L2 псевдовысот, то максимальные ожидаемые погрешности составят 4.14, 2.66, и 5.84 при сдвиге фаз на 90 градусов, при однофазном состоянии и при противофазных состояниях сигнала L2 при прямом и отраженном сигналах.

    Моделирование также предсказывает наличие эффектов в измерении несущей частоты, но они гораздо меньше - максимальная ошибка может составить 6.8 мм в сигнале L1 и 4.8 мм в сигнале L2.

    Тем не менее, проблема до конца не решена. Управление GPS Wing вместе с партнерами ведут поиск путей для минимизации последствий возникшей проблемы путем поиска различных решений. Один эксперимент предлагает изменить эфемериды спутника путем перемещения фазового центра антенны на 152 метра вверх от фактического нахождения спутника, компенсируя перемещение сдвигом тактовой частоты самого спутника. Эти меры уменьшают ошибку сигнала наполовину, но не исключают полностью.

    Другое предложение состоит в том чтобы вещать сигнал с текущими настройками без каких либо попыток компенсировать ошибку. Все остальное уже зависит от пользователя каким способом пользоваться сигналами. Так, некоторые GPS приемники с функцией корелляции, могут отфильтровывать большую часть помех (см. внизу Корелляция ). Приемники с обычными корелляторами могут работать с сигналами о спутника SNV49, но повышается неопределенность измерений, если они складываются с измерениями о тдругих спутников.

    Управление GPS Wing заинтересовано в диалоге с производителями GPS оборудования и с пользовательскими группами относительно взаимодействия сигналов исходящих со спутника SVN49 с устройствами и приложениями перед принятием окончательного решения. Также были начаты дискуссии и опросы по сбору информации для того что нужно делать со спутником перед тем как вводить его в строй. Решение будет принято в середине сентября.


    Корелляция сигналов

    На рис.4 показан типичный разброс ошибок во времени по semi-codeless P(Y)-code измерениям на частотах сигналов L1 и L2, измеренными на коммерческом приемнике для тестирования в Германии, Мюнхен.Спутник SVN49 был виден около 6 часов в данном месте и достиг наивысшей точки угла наклонения в 80 градусов. Чаще всего ошибки появляются при принятии сигнала L1 где они варьируются в пределах о т минус 0,5 метров над горизонтом и до + 1 метра в зените.Сигнал L2, напротив, оказался менее искаженным. Здесь, помеховые ошибки вызванные отражением сигнала в спутнике составляют амплитуду менее 0.5 метров и не могут быть четко выделенными от местных помех на месте нахождения приемника.

Рис.4. Типичные SNV49 помеховые ошибки для semi-codeless P(Y)-code слежения за сигналами L1 (верх) и сигналами L2 (низ) от показаний кореллятора встроенный в обычный GPS приемник.

    Пример показанный на рис. 4 отображает данные получаемые от большинства приемников принимающих сигнал о нового GPS спутника. В отличие от них, только некоторые способны фильтровать помехи, созданные спутником, путем применения специальных методик по уменьшению помех.

    Несмотря на то что детали выполнения алгоритма не раскрываются, хорошо известно что стробирующие или double-delta корелляторы могут эффективно противодействовать помехам узкого диапазона в момент применения особо узкой планки кореллятора.

    Эффективность таких методик отображена на Рис.5 для слежения сигналов C/A-code и L2C с помощью того же тестового приемника. Здесь хорошо видно что помеховые ошибки лежат ниже показаний температурного шума и ошибки измерения очень сложно отличить от тех, которые присутствуют на других GPS спутниках.

 
    С точки зрения огромного количества используемых примников GPS и принимая во внимание еще большее количество используемых ими приложений, то универсального решения проблемы со спутником SVN49 не стоит искать. Также стоит подумать десять раз перед внедрением приоритетных исправлений на случай, если они принесут больше вреда, чем пользы.