Bez tytu³u-4 - Serwis Elektroniki

Co to jest GPS?Jak wyjaœniono równie¿ we wstêpie, wysokoœæ satelity narzucajego prêdkoœæ i w tym przypadku jest to oko³o13.800km/godz. Czas okr¹¿enia Ziemi wynosi wtedy 12 godzin(dok³adnie 11 godz. 58 min.).£¹cznoœæ miêdzy satelit¹ (nadajnikiem) a odbiornikiem,który jest trzecim segmentem systemu GPS jest jednokierunkowa(odbiornik ca³y czas nas³uchuje co najmniej 4 satelitów).A wiêc co i na jakiej czêstotliwoœci nadajniki nadaj¹ i wjaki sposób s¹ identyfikowane? Moc tych nadajników jest niewielka,bo 20÷50W. Aby mieæ obraz jak s³aby sygna³ docierado odbiornika trzeba mieæ ca³y czas na uwadze, ¿e nadajnikjest w odleg³oœci 20.000km. Najs³absze nadajniki radiowe maj¹moc 50W i przez radioodbiornik o dobrej selektywnoœci odbiórstaje siê niemo¿liwy w odleg³oœci kilkudziesiêciu kilometrów.Zatem sygna³ docieraj¹cy do Ziemi jest na poziomie szumówt³a, jest to poni¿ej -160dBW (co po przeliczeniu dajewartoœæ 10 -16 wata). Zatem konieczna jest dobra „widocznoœæ”nieba. Czêstotliwoœæ nadawanego sygna³u mieœci siê w zakresie1÷1.5GHz. Takie fale dobrze przechodz¹ przez chmury itakie materia³y, jak szk³o czy plastik, ale nie przechodz¹ przezmasywne obiekty, jak góry czy budynki, co jednoznacznie ograniczazastosowanie GPS-u. Równie¿ niemo¿liwa jest lokalizacjaprzez ten system w g³êbinach morskich, czy w du¿ych gara¿achpodziemnych albo jaskiniach. Dla odbiornika jednokana³owegoprzeszkod¹ mo¿e byæ nawet gruba pokrywa liœci wlesie.Aktualnie wykorzystywane s¹ dwie czêstotliwoœci noœne,aczkolwiek system przewiduje ich wiêksz¹ liczbê (jedna z nichL5 jest ju¿ uruchomiona, o czym parê s³ów w punkcie 8).Czêstotliwoœæ pierwsza z nich oznaczona jako L1 wynosi1575.42MHz i ona jest jedynie udostêpniona dla zastosowañcywilnych (kod C/A - co zostanie wyjaœnione dalej). CzêstotliwoœæL2 wynosi 1227.60MHz. Przenosi ona tzw. kod P i jests³absza od L1 zmodulowanej kodem C/A o 6dB oraz od L1nios¹cej kod P o 3dB. Co to s¹ te kody?Zwa¿ywszy na to, ¿e system zosta³ stworzony przedewszystkim dla celów wojskowych, jasnym jest, ¿e musianozapewniæ dwie rzeczy: uodporniæ system na zag³uszanie przez„wroga” oraz uniemo¿liwiæ korzystanie z tego systemu przezogólnie mówi¹c s³u¿by niepowo³ane. Zatem stosuje siê przemyœlnekodowanie i szyfrowanie danych zwane A-S (od AntiSpoofing - zabezpieczenie przed fa³szowaniem).Zawarte informacje w strumieniu danych p³yn¹cych z satelitówmo¿na podzieliæ na dwie czêœci: kodowan¹ i niekodowan¹.Dane kodowane dostêpne s¹ dla jednostek upowa¿nionych,a czêœæ niekodowana potrzebna jest dla dostêpu do czêœcikodowanej. Równoczeœnie czêœæ niekodowana mo¿e byæu¿yta dla lokalizacji po³o¿enia o ograniczonej dok³adnoœci. Dlaspe³nienia drugiego warunku wprowadza siê (jest taka mo¿liwoœæ)sztuczne zafa³szowanie sygna³u z satelity ograniczaj¹cedodatkowo dok³adnoœæ lokalizacji przez „osoby” niepowo³ane.Zabieg ten nazywa siê SA (Selective Availability - selektywnydostêp). W tej nazwie zawarty jest oczywiœcie sens tegosygna³u mówi¹cy, ¿e zafa³szowanie to mo¿e byæ usuniête postronie odbiorczej przez upowa¿nione jednostki. Jak mo¿naby³o przeczytaæ (równie¿ w prasie codziennej) zag³uszanieselektywne zosta³o wy³¹czone 2 maja 2000 roku dekretem prezydentaStanów Zjednoczonych Billa Clintona i aktualnie niejest stosowane. System GPS ma jednak te¿ mo¿liwoœæ zafa³szowañselektywnych pod wzglêdem geograficznym, co jestchyba niezmiernie istotne w zwi¹zku z wydarzeniami, któremaj¹ aktualnie miejsce. Oznacza to, ¿e pewne rejony mog¹byæ pozbawione mo¿liwoœci lokalizacji o du¿ej precyzji przyjej zachowaniu w innych rejonach œwiata.Warto w tym miejscu nadmieniæ, ¿e bogata teoria szyfrowaniadanych te¿ jest nauk¹ wywodz¹c¹ siê z krêgów militarnych.Jest ona obecnie bardzo rozwiniêta, zajmuje siê ni¹ kryptografia.Kody C/A i P s¹ tzw. kodami Golda. Równoczeœnieprzemyœlne metody szyfrowania wysz³y poza zastosowaniawojskowe, co ma ogromne znaczenie w przypadku bardzo rozleg³ychsieci komputerowych (oczywiœcie o Internecie wspominaænie trzeba).Ogólnie mówi¹c strumieñ przesy³anych z satelitów danychjest bardzo wolny, to tylko 50 bitów na sekundê. Ca³a ramkadanych zajmuje 7500 bitów, a wiêc jej przes³anie zajmuje 2.5minuty.Kod precyzyjny (kod P) szyfrowany jest tak skutecznie, ¿epowtarza siê on raz na 7 dni. Kod C/A (Coarse/Acquisition –lokalizacji zgrubnej) powtarza siê co 1 milisekundê. A wiêcchc¹c zsynchronizowaæ siê bezpoœrednio z kodem P mo¿na wnajmniej korzystnej sytuacji czekaæ nawet tydzieñ. Skrócenietego czasu umo¿liwia kod C/A. Po nawi¹zaniu ³¹cznoœci z satelit¹mo¿e byæ odebrana równie¿ wiadomoœæ informuj¹ca,która czêœæ kodu P jest w danej chwili nadawana. Nawi¹zuj¹cdo powy¿szego staje siê zrozumia³a nazwa, ¿e kod C/A niesiewiadomoœci typu „almanach” (wiadomoœæ pierwotna). Dane„almanach” s¹ œledzone i przechowywane w pamiêci odbiornika.Dlatego jeœli odbiornik zostaje w³¹czony mówi siê, ¿ejest on „zimny” (cold). Musi wtedy up³yn¹æ d³u¿szy czas ani-¿eli jest on w stanie aktualizowaæ dane o swoim po³o¿eniu,gdy jest ju¿ warm (gor¹cy).Nale¿y siê jeszcze pewne wyjaœnienie odnoœnie wspomnianychczêstotliwoœci L1 i L2. Kod P jest nadawany z czêstotliwoœci¹10.23MHz na obu noœnych L1 i L2, zatem modulacjapowoduje rozmycie pasma obu czêstotliwoœci (1575.42 i1227.60MHz) z pewnym tylko uproszczeniem do szerokoœci20.46MHz. Kod C/A jest nadawany z czêstotliwoœci¹ dok³adnie10-krotnie mniejsz¹, równ¹ 1.023MHz. Zatem w jego wynikunastêpuje rozmycie pr¹¿ka L1 do 2.046MHz. Jest to czêœæwidma tego sygna³u o wiêkszej mocy (o 3dB).Warto jeszcze powiedzieæ, ¿e kody te to wa¿na i powszechniestosowana klasa tzw. kodów pseudolosowych, oznacza to,¿e ma on statystyczne w³asnoœci szumu bia³ego.Doœæ informacji na temat kodów, wypada wreszcie powiedzieæ,¿e przede wszystkim wed³ug nich rozpoznawany jestprzez odbiornik ka¿dy z satelitów. Dok³adniej jest tak, ¿e ka¿-dy satelita nie wykorzystuje innego kodu (aby byæ rozró¿nionym),ale inn¹ sekwencjê zwielokrotnienia kodowego. Pomiarodleg³oœci (tzw. pseudoodleg³oœci) odbywa siê na takiej zasadzie,¿e w odbiorniku generowany jest ten sam kod i sprawdzasiê na ile trzeba go przesun¹æ w czasie aby pokrywa³ siê z kodem„przychodz¹cym” z satelity.Warto tu podaæ dla ciekawoœci, ¿e zosta³ równie¿ zbudowanysystem radziecki (GLONAS), w którym identyfikacjasatelitów nastêpuje na podstawie faktu, ¿e ka¿dy z nich nadajena innej czêstotliwoœci. To pozorne uproszczenie powoduje jednakkomplikacjê odbiornika. Jest to prawdopodobnie g³ówn¹przyczyn¹ (obok niezgodnoœci czasów systemowych), ¿e systemGLONAS w zastosowaniach cywilnych nie jest praktyczniewykorzystywany.4 SERWIS ELEKTRONIKI 4/2002