نحوه مدولاسیون GPS و بازیابی سیگنال از زیر سطح نویز ترمال

سیستم موقعیت‌یابی جهانی (GPS) سیگنال‌های بسیار ضعیفی (حدود -125 تا -130 dBm) را از ماهواره‌های در مدار متوسط زمین (MEO) ارسال می‌کند که در سطح گیرنده‌ها زیر سطح نویز ترمال (حدود -111 dBm برای پهنای باند 2 MHz) قرار دارند. این سیگنال‌ها با استفاده از تکنیک‌های مدولاسیون پیشرفته و پردازش سیگنال، قابل بازیابی هستند. این مقاله به بررسی نحوه مدولاسیون GPS و روش‌های بازیابی سیگنال از زیر نویز ترمال می‌پردازد، با تمرکز بر فرآیند همبستگی با کد PRN که به صورت دیاگرام توضیح داده می‌شود. اطلاعات بر اساس دیتاشیت‌های فنی (مانند u-blox، NovAtel) و استانداردهای IS-GPS-200 استخراج شده است.

مدولاسیون در GPS

مدولاسیون GPS برای انتقال داده‌های ناوبری (مانند اطلاعات موقعیت و زمان) طراحی شده است. سیگنال‌های GPS در باندهای L1 (1.57542 گیگاهرتز)، L2 (1.2276 گیگاهرتز) و L5 (1.17645 گیگاهرتز) ارسال می‌شوند و از مدولاسیون‌های خاصی برای اطمینان از دقت و مقاومت در برابر نویز استفاده می‌کنند.

انواع مدولاسیون GPS

1. مدولاسیون BPSK (Binary Phase Shift Keying):
   • کاربرد: در سیگنال‌های L1 C/A و L2C.
   • نحوه کار: فاز موج حامل (0° یا 180°) برای انتقال بیت‌های 0 و 1 تغییر می‌کند. کد C/A با نرخ 1.023 MHz و داده ناوبری 50 bps مدوله می‌شود.
   • مزایا: ساده، مناسب برای گیرنده‌های IoT کم‌هزینه.
   • معایب: حساسیت به جمینگ.
2. مدولاسیون BOC (Binary Offset Carrier):
   • کاربرد: در L1C و L5.
   • نحوه کار: ترکیبی از موج مربعی و حامل سینوسی برای کاهش چندمسیری. مثلاً BOC(1,1) در L1C.
   • مزایا: دقت بالا (تا 1 متر).
   • معایب: پیچیدگی گیرنده.
3. مدولاسیون TMBOC (Time-Multiplexed BOC):
   • کاربرد: در L1C (GPS III).
   • نحوه کار: ترکیب BOC(1,1) و BOC(6,1) برای تعادل دقت و مصرف انرژی.
   • مزایا: بهینه برای IoT.

کدهای PRN و Spread Spectrum

سیگنال‌های GPS از تکنیک Spread Spectrum با کدهای PRN (Pseudo-Random Noise) استفاده می‌کنند:

• کد C/A: نرخ 1.023 MHz، طول 1023 بیت در 1 میلی‌ثانیه.
• کد P(Y): نرخ 10.23 MHz، رمزنگاری‌شده برای کاربردهای نظامی.
• کد L2C و L5: نرخ 10.23 MHz، برای دقت بالاتر.

این کدها سیگنال را در پهنای باند وسیع پخش می‌کنند، که امکان بازیابی از زیر نویز را فراهم می‌کند.

بازیابی سیگنال از زیر سطح نویز ترمال

سیگنال‌های GPS با توان -125 تا -130 dBm، حدود 14-19 dB زیر نویز ترمال (-111 dBm برای پهنای باند 2 MHz) هستند. گیرنده‌ها با تکنیک‌های زیر سیگنال را بازیابی می‌کنند:

 همبستگی با کد PRN (Correlation)

نحوه کار: گیرنده کد PRN ماهواره (طول 1023 بیت در 1 ms برای C/A) را با سیگنال دریافتی همبسته می‌کند. این فرآیند نویز را حذف و سیگنال را تقویت می‌کند. و در ادامه نحوه کار هبستگی با کد به صورت شماتیک نشان داده شده.

نتیجه‌گیری

مدولاسیون GPS (BPSK، BOC، TMBOC) با کدهای PRN امکان پخش سیگنال در پهنای باند وسیع را فراهم می‌کند. بازیابی سیگنال از زیر نویز ترمال (-111 dBm) با همبستگی (43 dB بهره)، LNA، SAW، A-GNSS و چندفرکانسه انجام می‌شود. چیپست‌های مدرن مانند u-blox NEO-F10 و Quectel LC79H در 85-95% موارد در محیط‌های چالش‌برانگیز موفق هستند. برای IoT، ترکیب A-GNSS و IMU توصیه می‌شود.