Физический смысл формирования фазовых измерений

Кря, а можно ссылки с пояснениями для нубов? (кроме шуток действительно хочу понять и разобраться)

 

С пояснениями для нубов - такой халявы не найти. По поводу фазы несущей могу сказать одно, что практически все авторы либо не понимают ее физический смысл либо не хотят раскрывать ее из-за коммерческого интереса. Какую бы литературу по этой теме ни прочитать везде будут кормить формулой где фаза несущей прямо или косвенно выражается через псевдодальность с добавлением целой неоднозначности.

 

Я вчера немного протупил про радиогеодезию, есть более простое объяснение:

Есть разные "фазы"
1. Фаза как абсолютная величина, изменяется линейно со временем (вспомните синусоиду, развёртка по времени и есть фаза)
2. "Сдвиг по фазе" между принимаемым сигналом и опорным сигналом в приёмнике - это то что мы измеряем, в частности в светодальномерах. Т.е. если излучатель (спутник, радиомаяк) и наблюдатель (приёмник) фиксированы относительно друг друга и расстояние не меняется, то сдвиг по фазе будет константой. Если расстояние кратно длине волны, то сдвиг по фазе - ноль, хотя принимаемый сигнал, развернутый во времени по-прежнему синусоида. Начинаем смещаться - изменяется сдвиг фазы, который мы интерпретируем как изменение расстояния, либо объясняем его как "эффект Доплера".

Собственно что происходит в приёмнике - он отслеживает сдвиг фазы с момента захвата спутника. Учитывая что генератор в приёмнике имеет нестабильную частоту, то доплер (и сдвиги по фазе) неидеальны и содержат дрейф генератора (нецелое число!). Всё это компенсируется при обработке разностными методами.

PS: сдвиг по фазе 1 цикл в секунду наблюдается как доплер 1 Гц, т.е. доплер это первая производная от сдвига фазы.
Например для L1 расстояние между спутником и приёмником изменяется на 0.19 m/s (где-то в зените) то допллер 1 Hz, если 400 m/s то ~2000 Hz.

 

Да кстати, очень интересная тема. Я когда читал про его устройство - рот раскрыл, насколько всё просто и одновременно уникально по своим характеристикам - перестройка частоты практически мгновенная, можно менять её хоть на каждый отдельный отсчёт.

 

Осталось лишь разобраться почему неоднозначность - целое число и можно закрывать тему

 

chnav, зачем в программе постобработки кнопка "Recalculate Doppler"и в каком случае следует её нажимать? Там варианты пересчета по ephemeris, C/A Range или L1 phase

 

Я не знаю, может другие подскажут.

Для меня тоже очень многое ещё непонятно в устройстве GPS, информацию приходится собирать по крупицам (особенно всё что касается двухчастотников). Какую книгу ни открой - матан с первых страниц. Знаю что устройство GNSS изучают в технических вузах типа МАИ и Бауманки, но сколько сталкивался на форумах с такими людьми - им это неинтересно, курсовую сдали и забыли.

 

Может надо разобраться в том, имеет ли это число размерность, и если имеет, то в чем выражено?

 

Ответ, например, здесь:

Т.е. это восстановление отсутствующих или недостоверных измерений. Доплера.
А Доплер может быть восстановлен по эфемеридам и известным параметрам движения потребителя либо дифференцированием кодовых или фазовых наблюдений.
Нажимать кнопку в случае необходимости.

Фазовая неоднозначность - целое число длин волн, т.е. величина безразмерная.. Если речь о фазовой псевдодальности (в метрах), то нужно умножить его на соответствующую длину волны

Наверное, Вы имеете в виду кодовую псевдодальность? Правильнее будет дальности, т.к. у кодовой и фазовой псевдодальности разные знаки ионосферной задержки, уровни шума и многолучёвости.
Ну и чем Вас не устраивает такое объяснение?

 

Александр Яковченко, спасибо! Я в мануале это видел, и даже помню, раньше Допплера пересчитывали, теперь как-то подзабили. Потому что не понятно, зачем его восстанавливать, если он сам является производной. На форуме говорилось, что он нужен для кинематики (наверное Калман-фильтрация работает лучше), но с кнопкой "использовать допплер для определения скорости" решение получается объективно хуже.
Насчёт целой неоднозначности. Тут спрашивают почему она целая. Мы же видим доли фазы. Попроще бы

 

Доплер является независимым измеряемым параметром, который участвует в обработке, и в измерениях Доплера могут присутствовать аномалии и пропуски. Именно для таких случаев и нужно восстановление Доплера.

Давайте ещё проще.
Для этого обычно используют аналогию с часами.
Пусть у Вас есть стрелочные часы, которые идут очень точно, но у них отпала часовая стрелка. Полное время - аналог полной фазы. Когда Вы после долгого перерыва смотрите на часы (момент включения приёмника), Вы можете узнать абсолютно точное время, например 15 минут 25 секунд, но целое число часов Вы не знаете. Можно приблизительно прикинуть, что, например, сейчас около полудня, т.е. или 11:15:25, или 12:15:25, или 13:15:25, но точное значение ЦЕЛЫХ часов Вы не знаете, и можете ошибиться на несколько часов. Вот это неизвестное целое число часов - и есть целочисленная неоднозначность.
Если Вы будете следить за часами, Вы сможете очень точно определять интервалы времени (приращение фазы), но определить неизвестное начальное целое число часов Вы не в состоянии.

 

И в этом мне поможет кодовая дальность, правильно?
А как она там, у ей внутре возникает эта фаза? Я так понимаю электромагнитная волна проходит через катушку антенны и возникает напряжение, изменение которого мы регистрируем?

 

Кодовая дальность помогает рассчитать фазовую неоднозначность, но очень приближенно - плюс-минус несколько десятков циклов т.к. кодовое измерение менее точное. Приёмнику, чтобы зафиксировать неоднозначность, надо перебрать 20-30 разных вариантов по каждому спутнику. Если у вас 10 спутников, получаете 30 в десятой степени вариантов, из которых надо выбрать лучший. Это очень долго.
У двухчастотников в этом плане _огромное_ преимущество, за счет комбинаций измерений на разных частотах (wide lane, iono free) они могут разрешить неоднозначности за секунды.

Да напряжение регистрируем, но уровень сигнала меньше уровня теплового шума и напрямую фазу измерить невозможно. Если вывести этот сигнал на анализатор спектра - кроме шума ничего не видно.
В приёмнике генерируется реплика сигнала и кореллируется с принятым от антенны (на промежуточной частоте). Когда будет совпадение - значит наша реплика имеет ту же фазу что и принятый сигнал. Измеряем реплику.

 

Так в чем физический смысл то? Как это обстоит на уровне электромагнитного взаимодействия? Выходит что кроме кода, типа 100010110111011, приемник нишиша не слышит. Тогда следует вопрос, а фигле антенны дорогие?

--- Сообщения объединены, 14 июл 2017, Оригинальное время сообщения: 14 июл 2017 ---

Я так понял, что физически фазу от спутника измерить нельзя. Можно ее вычислить из кода.

 

Антенна -> усилитель -> смеситель -> промежуточная частота (50-60 МГц) -> АЦП(~100 млн. отсчетов в секунду).
На этом "аналоговое" электромагнитное воздействие заканчивается, далее только цифровая обработка.

Реплика сигнала (C/A код, фаза несущей и пр.) - всё формируется в цифровом виде.
Выделение сигнала становится возможным благодаря PRN и процедуре "накопление со сбросом".
Если сравнить сигналы с АЦП и реплики в лоб, т.е. отдельные отсчёты напряжения (из упомянутых 100 миллионов в секунду) - естественно кроме шума ничего не видно.
Но если их попарно перемножать и складывать на протяжении 20 мсек (т.е. 2 миллиона отсчетов) то получится что синфазные (кореллированные) сигналы "усиливаются" (амплитуда накапливается всё больше и больше), в то время как шум усредняется.

 

А если понижать сигнал на меньшую промежуточную частоту для оцифровки более дешевыми АЦП, не скажется ли это на точности измерений?

 

В бытовых одночастотниках так и делается. Сигнал C/A L1 занимает полосу около 2 МГц, т.е. минимально достаточно АЦП 4 msps. Точность падает.
P(Y) L1 и P(Y) L2 занимают полосу 20 МГц, отсюда требования к АЦП выше.

АЦП также сильно отличаются битностью, в бытовых вплоть до 1-1.5-2 (и работает !!!) в геодезических 10-12 бит.

Мой любимый бытовой SiRF Star III предположительно имеет АЦП 16 msps.

 

Не подскажите откуда такая информация про 50-60 МГц? Как я представляю, более высокая разрядность АЦП скорей всего нужна для устойчивой работы при слабых сигналах.

 

Я уже не помню точно, может и 40 МГц. Исходил из частоты семплирования АЦП, видел её в описании какой-то платы Trimble.

 

Если я правильно понимаю, частота семплирования = частота дискретизации. Обычно советуют выбирать АЦП с частотой дискретизации в 4 раза больше оцифруемого сигнала, так что возможно промежуточная у тримбла в районе 10 МГц. Кстати в книге Жодзишского М.И. в качестве примера также выбирают 10 МГц