GPS система

GPS системаGPS — это слово знакомо практически всем, кто-то имеет представление о его значении, но далеко не каждый может точно представить как оно устроено и работет. В статье Вы найдёте ответы на общие вопросы и сможете разобраться как работает эта система.

Для начала, GPS — это система глобального позиционирования (Global Positioning System) позволяющая однозначно и достаточно точно определить местоположение объекта на планете.
Навигационная система входит в состав военного комплекса США — NAVSTAR, который был начат в 1973 году. Первый спутник NAVSTAR был выведен на орбиту в 1974 году а последний из 24 необходимых спутников для полного покрытия земной поверхности, был выведен на орбиту в 1993. Гражданский сегмент военной спутниковой сети NAVSTAR принято называть аббревиатурой GPS, коммерческая эксплуатация началась в 1995 году.

1 мая 2000 года мин обороны США отменило особые условия пользования системой. Американцы выключили помеху, снижающую точность гражданских устройств, после чего точность определения координат с помощью бытовых навигаторов возросла более чем в 5 раз и составила от 5 до 20 метров (высота до 10 метров) Точность зависит от условий приема сигналов в конкретной точке, количества видимых спутников и ряда других причин. Приведенные цифры соответствуют одновременному приему сигнала где-то с 6-8 спутников. Большинство современных приёмников имеют 12-канальный приемник, обрабатывающий информацию от 12 спутников. Точность военных приёмников доходит до нескольких миллиметров.

Ядро GPS составляют спутники навигации, которые двигаются вокруг Земли по 6 орбитальным траекториям на высоте в 20180км. 24 спутника обеспечивают сто процентную работоспособность системы в любой точке планеты 24 часа в сутки. Следят за спутниками с главной управляющей станции на базе ВВС Шривер, шт. Колорадо, США. Оттуда и осуществляется управление системой в мировом масштабе.

Наземная часть GPS состоит из десяти станций слежения, которые находятся на островах Кваджалейн и Гавайях в Тихом океане, на острове Вознесения, на острове Диего-Гарсия в Индийском океане, а также в Колорадо-Спрингс, в мысе Канаверел, шт. Флорида и т.д.. При этом Количество наземных станций непрерывно растет. Информация со станций наблюдения обрабатывается на главной управляющей станции MCS и используется для обновления эфемерид спутников. Загрузка навигационных данных, состоящих из прогнозированных орбит и поправок часов, производится для каждого спутника каждые 24 часа.

Основой определения положения приемника является вычисление расстояния от него до нескольких спутников, расположение которых известно. Определение местоположения приёмника в пространстве осуществляется с использованием алгоритма измерения расстояния от точки наблюдения до спутника. Измерение расстояния основано на вычислении расстояния по задержке времени распространения радиосигнала от спутника к GPS приемнику. Если знать время распространения радиосигнала, то пройденный им путь легко найти. Приёмники работают в пассивном режиме и вычисляют свои координаты, но это совсем не означает, что координаты GPS-приёмника будут известны кому либо, кроме его владельца. Каждый спутник непрерывно генерирует радиоволны двух частот — L1=1575.42МГц и L2=1227.60МГц. Каждый приемник имеет собственный генератор, работающий на той же частоте и модулирующий сигнал по тому же закону, что и генератор спутника. Таким образом, по задержке времени между одинаковыми участками кода сигналов, принятого со спутника и сгенерированного самостоятельно, можно вычислить время распространения сигнала, а, следовательно, и расстояние от устройства до спутника.

Основная проблема при вычислении расстояния до спутника связанна с синхронизацией часов на GPS спутнике и в приемнике. Даже мизерная погрешность может привести к огромной ошибке в определении расстояния объекта. Каждый GPS спутник несет на борту высокоточные атомные часы, которые встроить в обычный GPS приёмник невозможно. Чтобы сгладить временное рассогласование и избежать огромных ошибок в определении местоположения, в GPS введен принцип избыточности для определения 3d координат на поверхности Земли. Приёмник использует сигналы не трех, а как минимум четырех спутников и на основании вспомогательных сигналов вносит все необходимые коррективы в работу своих часов. Кроме навигационных сигналов, спутник непрерывно передает различную служебную информацию. Gриёмник получает, например, эфемериды (точные данные об орбите спутника), прогноз задержки распространения радиосигнала в ионосфере, а также сведения о работоспособности спутника. Эти данные передаются со скоростью 50 бит/с на частотах L1 или L2.

Теперь объясним, как вычисляются координаты приёмника. Расстояние от GPS устройства до навигационных спутников обозначим как А, В и С. Когда известно расстояние А до одного спутника координаты приемника определить нельзя, т.к. он может находится в любой точке сферы с радиусом А, описанной вокруг спутника. Если известно В приемника до второго спутника, то определение координат также не представляется возможным — объект находится где-то на окружности, которая является пересечением двух сфер. При известном С до третьего спутника сокращается неопределенность в координатах до двух точек. Этого уже достаточно для однозначного определения координат приемника. Не смотря на то, что мы имеем две точки с координатами, только одна находится на поверхности Земли, а вторая, ложная, оказывается либо глубоко внутри Земли, либо очень высоко над ее поверхностью. Таким образом, для трехмерной GPS навигации достаточно знать расстояния от приемника до трех спутников, но как мы уже говорили GPS-приемник, использует сигналы не трех, а как минимум четырех спутников и на основании вспомогательных сигналов вносит все необходимые коррективы для повышения точности навигации.

Сегодня область применения системы глобального позиционирования достаточно велика. Всё чаще GPS-приемники встраивают в мобильные телефоны, в автомобили, часы и прочие объекты.

  • Недостатками навигации является в первую очередь то, что при определённых условиях сигнал может не доходить до приёмника, поэтому невозможно определить своё точное местонахождение в глубине квартиры внутри железобетонного здания или в тоннеле.
  • Рабочая частота сигнала находится в дециметровом диапазоне радиоволн, следовательно уровень приёма сигнала от спутников может ухудшиться под плотной листвой деревьев, в районах с плотной городской застройкой или из-за сильной облачности, что скажется на точности позиционирования. Магнитные бури и наземные радиоисточники тоже способны помешать нормальному приёму сигналов.
  • Карты, предназначенные для GPS навигации, быстро устаревают и не всегда соответствуют действительности.
  • Очень важно, что работа глобальной системы навигации GPS полностью зависима от министерства обороны США и нельзя быть уверенным, что в любой момент времени США не включит помеху сигналу или вообще полностью не отключит гражданский сектор GPS как в отдельно взятом регионе, так и вообще. Претенденты уже были. Хорошо, что у GPS есть альтернатива в виде навигационных систем ГЛОНАСС (Россия) и Galileo (ЕС), которые в перспективе должны получить широкое распространение. Так же ведётся работа по разработке чипов навигации поддерживающих сразу три системы позиционирования GPS, Galileo и ГЛОНАСС.