http://www.astel.ua/info/articles/whatisgps

Что такое - Global Positioning System (GPS)?

Система GPS (GPS - начальные буквы названия глобальной системы определения координат - Global Positioning System) разработана американскими специалистами по заказу Министерства обороны США исключительно для военных нужд. В 1980-х система GPS была передана для использования в гражданских целях.

Разработки концепции NAVSTAR GPS (Navigation Satellite Timing And Ranging Global Positioning System) начались 1973 году. Самые современные на тот момент радионавигационные системы (РНС), наземные Loran-C и Omega, а также спутниковая (СНС) Transit перестали удовлетворять требованиям военных в отношении точности, всепогодности, круглосуточной работы и зоны охвата. В феврале 1978 года был запущен первый экспериментальный спутник GPS. О гражданском применении GPS широко заговорили в 1983 году после катастрофы южнокорейского авиалайнера, сбитого над Курильскими островами. Президент Рейган провозгласил, что система GPS должна стать доступной каждому.

Система GPS предоставляет два вида услуг: систему со стандартной точностью SPS (для гражданских пользователей) и систему PPS - с высокой точностью (для военных). При разработке системы, точность SPS в 100 м считалась достаточной для гражданских целей. По мере испытаний оказалось, что подсистема SPS точнее, чем предполагалось. Для сохранения преимущества высокой точности для военных, с марта 1990 года был введен режим «ограничения доступа» SA (Selective Availability), искусственно снижающий точность гражданского GPS.

Боевое крещение система получила в ходе операции «Буря в пустыне». К тому времени еще не было запущено достаточно спутников. Потребовалось маневрировать имеющимися спутниками для обеспечения круглосуточного покрытия зоны боевых действий. Сухопутные подразделения и морская пехота США тогда были укомплектованы, в основном, носимыми одноканальными приемниками GPS аналогичным гражданским, не способными принимать сигналы высокой точности. Вследствие чего было решено отключить на время боевых действий режим SA, что давало возможность пользования высокой точностью.

К середине 1993 года на орбитах находились уже 24 спутника, количество которых было достаточно для непрерывной навигации в любой точке Земли. Об окончательном вводе системы в эксплуатацию объявили только в июле 1995 года.

В 1996 году президент Клинтон подтвердил, что система, работающая на деньги американских налогоплательщиков, и в следующем столетии будет предоставлять свои услуги гражданским пользователям во всем мире. Объявлено, что до 2006 года режим «ограничения доступа» будет устранен. Но президент США сохраняет за собой право снижать точность сигналов GPS в случае угрозы национальной безопасности.

С ее помощью можно с высокой степенью точности определять местоположение объекта (широту, долготу и высоту над уровнем моря), направление и скорость его движения, а также время с точностью до 1 наносекунды (10^-9 с, что примерно составляет ошибку до 1 с в 70 000 лет). Система GPS работает при любых погодных условиях по всему миру 24 часа в сутки.

Исходя из этого, может рассчитывать ваш маршрут, запоминать точки, рассчитывать время прибытия в нужную точку и т.д. При этом абсолютно не важно, в какой части Земного шара вы находитесь в данный момент времени, приемник сам определит местоположение. За пользование услугами системы GPS не взимается ни абонентская плата, ни плата за подключение. Все, что нужно для пользования системой GPS - это приобрести GPS-приемник.

Справочная информация

 

• Первый GPS-спутник был запущен в феврале 1978 года.

• В 1994 году число спутников достигло необходимого количества - 24.

• Масса спутника GPS составляет около 900 кг, а его ширина - около 5 м с развернутыми солнечными батареями.

• Мощность передатчика составляет не более 50 Вт.

• Каждый спутник передает сигналы на 3-х частотах. Гражданские GPS-приемники используют частоту f1 равную 1575,42 МГц.

• Каждый спутник рассчитан на работу примерно в течение 10 лет. Новые спутники изготавливаются и запускаются на орбиту по мере необходимости. Работа всей системы запланирована и профинансирована минимум до 2006 года.

• Стоимость постройки и запуска 24 спутников - 12 миллиардов долларов.

 

Спутниковая навигационная система GPS представляет собой целый комплекс, основой которого являются 24 спутника (системы NAVSTAR) и ряд наземных станций слежения, объединенных в общую сеть. Спутники вращаются вокруг Земли по круговым орбитам на высоте около 20 200 км (11 000 морских миль). Указанная высота необходима для обеспечения стабильности орбитального движения спутников и уменьшения фактора влияния сопротивления атмосферы. В качестве абонентского оборудования служат индивидуальные GPS-приемники, способные принимать сигналы со спутников и по принятой информации вычислять свое местоположение.

Каждый спутник делает два полных оборота менее чем за 24 часа и движется со скоростью примерно 11 000 км/ч. В шести различных плоскостях расположено по 4 спутника, имеющих наклон к экватору в 55°. На борту каждого спутника установлены атомные часы, обеспечивающие точность 10^-9 с, вычислительнокодирующее устройство и передатчик мощностью 50 Вт, излучающий на частотах f1 = 1575,42 МГц и f2 = 1227,60 МГц. Сигнал f1 имеет два дальномерных кода с псевдослучайным шумом (PRN), P-код и C/A-код. «Точный» или P-код может быть зашифрован для военных целей. «Грубый» или C/A-код не зашифрован. Сигнал f2 модулируется только с P-кодом. Большинство гражданских пользователей используют C/A-код при работе с GPS-системами.

Каждую миллисекунду спутники передают на Землю:

• свой статус (сообщение об исправности или неисправности);

• текущую дату;

• текущее время;

• данные альманаха (информация о том, в каком месте небесной сферы должен находиться каждый спутник в любое момент времени в течение суток, т.е. орбитальные данные всех спутников);

• точное время отправки всей совокупности сообщений.

Питание спутников GPS обеспечивают солнечные и резервные аккумуляторные батареи, расположенные на борту. Каждый спутник имеет небольшие ракетные двигатели, предназначенные для коррекции орбитальных траекторий.

Спутники GPS вращаются вокруг Земли по круговым орбитам с частотой два оборота в сутки, передавая навигационные радиосигналы. GPS-приемники принимают эти сигналы и вычисляют местоположение методом триангуляции. Приемник сравнивает время излучения сигнала с временем приема этого сигнала. Разность между этими величинами позволяет вычислить расстояние до спутника. Зная расстояние до нескольких спутников, GPS-приемник может определить свое местоположение и отобразить его на электронной карте.

Орбиты спутников располагаются примерно под углом 60° друг к другу, что влияет на точность работы всей системы. Этим достигается то, что сигнал хотя бы от некоторых спутников может приниматься повсеместно в любое время. Одним из важнейших преимуществ GPS перед существовавшими ранее наземными системами является всепогодность. Независимо от того, для каких целей вы используете навигацию, GPS-приемник готов показать ваше местоположение - и именно тогда, когда вам это надо.

Что может GPS-приемник:

• Определять географические координаты места (широту и долготу). Частота обновления данных - 1 секунда.

• Исходя из того, что он знает где находится каждую секунду, GPS-приемник вычисляет пройденное расстояние, скорость текущую и среднюю, рассчитывает время прибытия в нужную точку исходя из текущей скорости при движении в расчетную точку.

• Рисует на встроенном экране маршрут движения - трассу. Затем может вывести «обратно по следу».

• Может вести вас по маршруту, переходя от точки к точке. Различные модели имеют различное количество запоминаемых маршрутов.

• Вычисляет расстояние между двумя произвольными точками и азимут между ними.

• Вычисляет восход и заход солнца в любой точке мира в любую произвольную дату.

Вообще говоря, GPS может найти применение везде, кроме мест, где нельзя принимать спутниковые сигналы, т.е. в зданиях, под землей, под водой и т.п. В авиации наиболее распространено применение GPS в навигационном оборудовании самолетов. На море GPS обычно используется рыбаками и любителями отдыха на море в качестве навигационного прибора. Наземное применение GPS очень разнообразно.

В зависимости от области применения, а также от стоимости, исполнение GPS-приемников также весьма разнообразно. В целом весь спектр моделей можно разделить на четыре большие группы:

• Персональные GPS-приемники. Эти модели отличаются малыми габаритами и широким набором сервисных функций: от базовых навигационных, включая возможность формирования и расчета маршрутов следования, до функции приема и передачи электронной почты.

• Автомобильные GPS-приемники, которые предназначены для установки в любом наземном транспортном средстве и имеют возможность подключения внешней приемо-передающей аппаратуры для автоматической передачи параметров движения на диспетчерские пункты.

• Морские GPS-приемники, оснащенные ультразвуковым эхолотом, а также дополнительными сменными картриджами с картографической и гидрографической информацией для конкретных береговых районов.

• Авиационные GPS-приемники, используемые для пилотирования летательных аппаратов, включая коммерческую авиацию.

Принимая информацию по крайней мере от трех спутников, GPS-приемник может определить двухмерные координаты пользователя (широту и долготу). «Захватив» четыре и более спутников, прибор может определить трехмерные координаты (широту, долготу и высоту). Определив местоположение пользователя, приемник может вычислить такие величины как скорость, путевой угол, траекторию, пройденное расстояние, расстояние до конечного пункта, время восхода и захода солнца и многое другое.

GPS-приемник на основании полученной со спутников информации определяет расстояние до каждого спутника, их взаимное расположение и вычисляет свои координаты по законам геометрии. Поскольку скорость распространения радиосигналов постоянна и равна скорости света, расстояние до спутников определяется по задержке времени приема сообщения GPS-приемником относительно времени отправки сообщения с борта спутника. Конечно, для точного определения этой задержки часы на спутниках и часы в GPS-приемнике должны быть синхронны, что обеспечивается синхронизацией часов приемника по информации, содержащейся, как указывалось выше, в сигналах спутников.

Существует несколько факторов, вносящих ошибку в определение местоположения, не позволяющих получить наилучшую точность. Основным источники погрешности при определении местоположения было наличие так называемого режима «избирательного доступа» (SA - Selective Availability). SA - это преднамеренное уменьшение точности гражданских GPS-навигаторов, осуществляемое Министерством обороны США. В этом режиме в сигналы спутников априорно вводилась погрешность, позволяющая определять местоположение с точностью до 100 м (с вероятностью 95%), хотя принципиально точность GPS-системы может достигать нескольких сантиметров. Определение высотных отметок определяется с точностью до 10 м (с вероятностью 95%). С 1 мая 2000 года режим «избирательного доступа» был отключен.

Следующим весомым фактором, влияющим на точность GPS является геометрия спутников. Простыми словами, понятие «геометрия спутников» означает то, как они расположены относительно друг друга и GPS-приемника. Если, например, приемник «видит» четыре спутника и все четыре расположены в северном и западном направлениях, то спутниковая геометрия скорее плохая. Причем вплоть до того, что приемник вообще не сможет определить местоположение. Потому что все расстояния, измеренные до спутников, будут лежать в одном глобальном направлении. Это означает, что триангуляция будет плохой и что область пересечения построенных прямых будет довольно большой (т.е. область вероятного положения будет занимать значительное пространство и точно указать координаты невозможно). В этом случае, даже если приемник выдает некоторые значения координат, их точность не будет достаточна (ошибка составит 100–150 м).

Другими источниками погрешности являются:

• ионосферные и тропосферные задержки
  По мере прохождения атмосферы сигнал замедляется. Система GPS использует встроенную модель, которая определяет среднюю величину задержки для частичной коррекции ошибки этого типа.

• многолучевой прием
  Это происходит, когда сигнал GPS отражается от объектов, таких как высокие здания или скалы, и попадает в GPS-приемник. Увеличение времени прохождения отраженного сигнала приводит к возникновению ошибки.

• ошибка часов приемника
  Встроенные часы GPS-приемника уступают в точности атомным часам, находящимся на борту спутников. Это может быть причиной небольших ошибок в определении времени прохождения сигнала.

• орбитальные ошибки
  Известны также как эфемероидные ошибки, соответствуют неточности в передаваемом местоположении спутников.

• число видимых спутников
  Чем больше спутников «видит» GPS-приемник, тем выше точность. Здания, элементы рельефа, а иногда и густая листва могут препятствовать приему сигналов GPS, приводя к ошибкам в местоопределении или к его невозможности.

Достаточно интересным является использование GPS многими учеными и исследователями в качестве источника точного времени. Действительно, как уже говорилось выше, определение времени прохождения радиосигнала лежит в основе самой идеи GPS. С этой целью внутренние часы приемника постоянно синхронизируются с прецизионными атомными часами, установленными на спутниках. Это позволяет обеспечить точность измерения времени от микро- до наносекунд. Поэтому при проведении научных экспериментов становится возможным повсеместно иметь абсолютные точные отметки времени. Нельзя, конечно забывать, что и информация о положении в ряде экспериментов тоже может представлять интерес.

Важное место занимает GPS в работе спасательных служб. GPS позволяет существенно сократить затраты, связанные с поисковыми работами и значительно сократить время проведения спасательных операций. Используемые этими службами GPS-приемники обеспечивают точность до 1 м. Существуют и еще более дорогие модели, обеспечивающие точность до нескольких сантиметров.

Цели, для которых GPS используется любителями отдыха на природе, так же разнообразны, как и виды такого отдыха. Сегодня GPS становится чрезвычайно популярным среди любителей пешего, горного, водного и лыжного туризма, охотников, рыболовов, велосипедистов и многих других. Любой, кому нужно знать, где он находится и откуда пришел, как ему добраться до нужного места, с какой скоростью он движется и когда доберется до цели - может легко пользоваться преимуществами, предоставляемыми GPS.

В очень скором будущем GPS станет стандартным оборудованием автомобилей. Некоторые базовые системы, такие как, например, вызов техпомощи и полиции на место аварии, уже начали внедряться. Сценарий использования может быть приблизительно такой: водитель нажал кнопку, GPS-приемник определил координаты и передал их вместе с сигналом вызова на диспетчерский центр и выездная бригада уже знает, куда ехать). Внедряются также и другие системы, которые отображают на экране ваше положение и помогают прокладывать маршрут через лабиринты улиц и дорог. Для контроля передвижения спецавтомобилей (например, инкассаторских) и для борьбы с угонами начали использоваться системы, постоянно отслеживающие положение движущегося объекта на карте местности.

Области использования спутниковой навигации:

• Развлечения
  Задавая некоторые координаты в память приемника GPS, вы можете устроить поиски сокровищ, прокладывать трассу автомобильного кросса или задавать контрольные пункты для гонок парусников. Нажатием кнопки можно узнать курс своего движения, удаленность от дома и сколько времени осталось двигаться к заранее намеченной цели или до любого другого пункта в пространстве.

• Обучение
  Поскольку мы живем в мире, наполненном электроникой, дети быстрее схватывают, что такое GPS и как ею пользоваться. Помимо удовольствия от путешествия на природе с приемником GPS, они быстро могут вникнуть в суть спутниковой навигации, научиться читать карту и пользоваться компасом. Те же самые спутниковые навигационные технологии используются в геодезии, в геологической разведке и на транспорте.

• Биология и экология
  Грибники и юные натуралисты, собиратели красивых минералов и археологи-любители в своих увлечениях вряд ли смогут обойтись без приемников GPS. Если Вы изучаете леса, изучаете жизнь животных или путешествуете по историческим местам, приемник GPS приведет вас в любую нужную точку пространства, которая записана в его памяти, а потом кратчайшим путем приведет вас домой.

• Спорт
  Система GPS позволяет очень точно мерить скорость и расстояние. Байдарочники могут использовать эту систему для отслеживания пройденного расстояния, скорости и направления движения. Любители зимних видов спорта должны брать с собой приемники GPS на прогулку по лесу или по снежной целине. Занятия горным велосипедом возможны, только если приемник GPS проложит путь по заданному маршруту или без заранее заданного маршрута, но кратчайшим путем к намеченной цели.

• Путешествия
  Путешествуя за границей, можно столкнуться с задачей поиска пути по чужому городу, в особенности, если текст на карте написан на незнакомом языке. С помощью приемника GPS можно запомнить положение своей гостиницы и потом просто следовать по стрелке, показывающей кратчайшее расстояние к начальному пункту вашего путешествия по незнакомому городу.

 

Инженер Киевского СЦ ООО «Астел»
Софель Евгений

Источник: http://www.astel.ua/info/articles/whatisgps



Читайте также:

• GPS Клуб
• GPS-навигаторы. Принципы работы.
• Боинг построит три дополнительных GPS спутника

Главная