ПСЕВДОСЛУЧАЙНЫЙ КОД - КОРОТКО О ЕГО СЕКРЕТАХ

Может возникнуть вопрос: - "К чему все это шаманство с псевдослучайными кодами? Почему просто не послать обычный радиосигнал, например такой, как от телевизионного спутника?". Действительно, концепция псевдослучайного кода далеко не очевидна. Но это остроумное средство, которое помогает сделать GPS практичной и относительно недорогой в применении. В некотором смысле, именно оно делает GPS "новым достоянием цивилизации".

Мы уже видели, каким образом применение псевдослучайного кода позволяет определить запаздывание сигнала, пришедшего со спутника. Но это только часть того, что он вообще позволяет сделать. Еще одна причина его применения - это энергетическая экономичность.

Рассмотрим вкратце, что происходит в спутниковом телевидении. Телевизионные спутники передают очень мощные сигналы. И все же, чтобы принять их на Земле, необходимы большие параболические антенны, концентрирующие энергию радиоволн на приемнике излучения. Вообразите, какой громоздкой была бы система GPS, если каждый ее приемник нуждался бы в таком же "большом блюде".

И еще. Телевизионные спутники находятся на геостационарных орбитах. Это означает, что на небе они всегда располагаются в одних и тех же точках. В нашем же случае не только понадобилось бы такое "блюдо" для каждого приемника , но оно еще должно было бы иметь возможность быстро поворачиваться, чтобы следить за подвижными "целями", т.е. спутниками в космосе.

Псевдослучайный код позволяет работать на малой мощности излучения

Псевдослучайный код позволяет избавиться от всего этого на основе достижений теории информации. Благодаря им, дальномерные сигналы спутников GPS могут иметь очень низкую мощность и все же будут приняты антенной размерами в несколько сантиметров. В действительности они настолько слабы, что не превышают уровня постоянного фонового радиошума в околоземном пространстве. Здесь используются достаточно сложные принципы, но упрощенный взгляд на вещи состоит в следующем.

Фоновый радиошум - это всего лишь последовательность случайных импульсов, как показано на рисунке. Псевдослучайный код, в некотором смысле, очень похож на этот шумовой фон, но при одном существенном отличии: порядок следования импульсов в кодовой последовательности постоянен и точно известен, а сама кодовая последовательность непрерывно повторяется в радиосигналах спутников.

А что, если сравнить некоторый отрезок псевдослучайного кода с таким же по длительности отрезком фонового шума и поискать области, где они изменяются сходным образом? Шум и сигнал можно разбить короткими временными метками на одинаковые тактовые интервалы (такое разделение называется "дискретизацией" сигнала) и затем пометить крестиками все такты, на которых и сигнал, и шум одновременно или максимальны, или равны нулю (шумовой сигнал может быть только "близок" к нулю).

Поскольку оба сигнала в своей основе - это "шумовые дорожки", имеющие случайную структуру, теория вероятности предсказывает, что примерно в половине тактов максимумы (и соответственно нули) сигнала и шума совпадут, а в другой половине такого совпадения не будет.

Если теперь установить некоторое контрольное устройство, считающее такты, в которых есть совпадение, и вычитающее из этой суммы те, где совпадения нет, то обнаружится, что после достаточно длительного времени результат счета окажется нулевым, поскольку в среднем каждое прибавление к сумме будет скомпенсировано вычитанием.

Пусть спутник GPS начинает передавать импульсы в той же последовательности, что и псевдослучайная последовательность, создаваемая в приемнике. Эти сигналы, даже если они и очень слабые, создадут некоторую "окраску" фоновому радиошуму. И если теперь осуществлять потактовый временной сдвиг псевдослучайного кода в приемнике относительно общей для спутника и приемника шкалы времени, то в определенный момент, на некотором шаге такого сдвига, когда код, принятый со спутника и смешавшийся с фоновым радиошумом, и код приемника совпадут, вдруг появится очень большое и растущее количество совпадений, и вместо нуля счетчик совпадений покажет резкое возрастание их количества. Чем на большем числе периодов кодовой последовательности будет проводится такое сопоставление, тем показания счетчика будут все больше и больше. Чем длительнее сравнение, тем больше число учтенных периодов. Это своего рода "усиление" показаний счетчика числа совпадений.

Можно выбрать время обработки принятого сигнала, которое дало бы нам тысячу совпадений. И поскольку сопоставление шумового фона с кодом приемника дало бы нам показания счетчика близкие к нулю, выбранный таким образом интервал по существу усилил бы сигнал спутника в тысячу раз. Естественно, что такое пояснение очень упрощено, но сама концепция - многозначительна.

Псевдослучайное кодирование дает нам способ очень точного распознавания очень слабого сигнала. Это означает, что нет необходимости снабжать спутники GPS мощными источниками энергии (при этом они и стоят меньше), и что приемники на Земле могут довольствоваться весьма скромными по габаритам антеннами.

Почему такой подход не является общим для спутников всех типов?

Почему этот подход не применяется в телевизионных спутниках, вследствие чего мы вынуждены иметь те самые "гигантские блюда"? Дело в том, что сигналы GPS заключает в себе чрезвычайно мало информации: всего лишь временную метку. Телевизионные же сигналы перегружены информацией. Или, как принято говорить, они очень широкополосные. Принцип, заложенный в основу применения псевдослучайного кода, основан на осреднении по большому числу периодов кодовой последовательности. Такая обработка оказывается слишком медленной и громоздкой для телевизионного сигнала, и поэтому она не применима в телевидении.

Пседослучайный код позволяет МО США управлять доступом к GPS

Существуют еще две причины, по которым GPS построена с применением псевдослучайного кодирования.

С одной стороны, это дает возможность МО США управлять доступом к спутниковой системе: в военное время можно изменить код, чтобы исключить использование системы противником. Даже в мирное время МО США сохраняет некоторую "закрытость" системы.

С другой, - применение псевдослучайного кода допускает передачу дальномерных кодов и информационных сообщений всем спутникам GPS одновременно и на одних и тех же двух несущих частотах без взаимных помех.

Каждый спутник имеет определенные, свои собственные два псевдослучайных кода, и таким образом, различение дальномерных кодов и информационных сообщений разных спутников в приемнике сводится к выбору соответствующих кодов в процессе приема и обработки сигналов. Поскольку мощность излучения спутников мала, ни один из них не забивает своими сигналами остальные.

Существуют два различных типа псевдослучайных кодов: "С/А коды" и "Р- коды". С/А-коды (Clear Acquisition - легкая распознаваемость), - это коды, которые используются для приемников как гражданского, так и военного назначения. Их тактовая частота в десять раз ниже, чем у Р-кодов. И, как принято считать, они обеспечивают менее точные измерения времени распространения радиосигналов*.

Выше упоминалось, что МО США может уменьшить точность в режиме С/А-кодов, включая по командам с Земли на всех спутниках GPS так называемый S/A-режим, или "режим селективного доступа" (Selective Availability - избирательная доступность), преднамеренно создавая значительный и непредсказуемый уход спутниковых часов. Если режим S/A установлен, то он оказывается причиной самых больших погрешностей местоопределения.

Р-коды (Protected - защищенный ) могут быть дополнительно зашифрованы, и только военным пользователям всегда открыт доступ к ним. Вдобавок к этому, Р-коды почти невозможно заглушить помехами.

* Традиционно полагали, что Р-коды, которые имеют тактовую частоту, в десять раз более высокую, чем тактовая частота C/A-кодов, являются значительно более предпочтительными по точности. Но новые исследования доказывают, что по многим сложным причинам разницы практически нет.

ТАКИМ ОБРАЗОМ:

• Псевдослучайный код - это средство установления момента абсолютного совпадения сигналов спутника и опорных сигналов приемника в процессе измерения расстояния (дальности) до спутника.
• Такое кодирование позволяет в системе GPS работать с сигналами очень низкой мощности и с антеннами малых размеров.
• А так же допускает применение на всех спутниках GPS одних и тех же несущих частот.
• Псевдослучайные коды дают возможность МО США управлять доступом к системе
  

Материал из Википедии — свободной энциклопедии