В статье рассмотрен принцип работы, состав и особенности системы спутникового позиционирования GPS (англ. Global Positioning System).
Навигационная система Global Positioning System (GPS) является частью комплекса NAVSTAR, который разработан, реализован и эксплуатируется Министерством обороны США. Разработка комплекса NAVSTAR (NAVigation Satellites providing Time And Range – навигационная система определения времени и дальности) была начата ещё в 1973 году, а уже 22 февраля 1978 года был произведён первый тестовый запуск комплекса, а в марте 1978 года комплекс NAVSTAR начали эксплуатировать. Первый тестовый спутник был выведен на орбиту 14 июля 1974 года, а последний из 24 необходимых спутников для полного покрытия земной поверхности, был выведен на орбиту в 1993 году. Гражданский сегмент военной спутниковой сети NAVSTAR принято называть аббревиатурой GPS, коммерческая эксплуатация системы в сегодняшнем виде началась в 1995 году.
Спустя более 20-ти лет с момента тестового запуска системы GPS и 5-ти лет с момента начала коммерческой эксплуатации Глобальной системы позиционирования GPS, 1 мая 2000 года министерство обороны США отменило особые условия пользования системой GPS, существовавшие до тех пор. Американские военные выключили помеху (SA – selective availability), искусственно снижающую точность гражданских GPS приёмников, после чего точность определения координат с помощью бытовых навигаторов возросла как минимум в 5 раз. После отмены американцами режима селективного доступа точность определения координат с помощью простейшего гражданского GPS навигатора составляет от 5 до 20 метров (высота определяется с точностью до 10 метров) и зависит от условий приема сигналов в конкретной точке, количества видимых спутников и ряда других причин. Приведенные цифры соответствуют одновременному приему сигнала с 6-8 спутников. Большинство современных GPS приёмников имеют 12-канальный приемник, позволяющий одновременно обрабатывать информацию от 12 спутников. Военное применение навигации на базе NAVSTAR обеспечивает точность на порядок выше (до нескольких миллиметров) и обеспечивается зашифрованным P(Y) кодом. Информация в C/A коде (стандартной точности), передаваемая с помощью L1, распространяется свободно, бесплатно, без ограничений на использование.
Состав космического сегмента системы GPS
Основой системы GPS являются навигационные спутники, движущиеся вокруг Земли по 6 круговым орбитальным траекториям (по 4 спутника в каждой), на высоте 20180 км. Спутники GPS обращаются вокруг Земли за 12 часов, их вес на орбите составляет около 840 кг, размеры – 1.52 м. в ширину и 5.33 м. в длину, включая солнечные панели, вырабатывающие мощность 800 Ватт. 24 спутника обеспечивают 100 % работоспособность системы навигации GPS в любой точке земного шара. Максимальное возможное число одновременно работающих спутников в системе NAVSTAR ограничено числом 37. В настоящий момент на орбите находится 32 спутника, 24 основных и 8 резервных на случай сбоев.
Спутник системы NAVSTAR GPS
Слежение за орбитальной группировкой осуществляется с главной управляющей станции (Master Control Station – MCS), которая находится на базе ВВС Шривер, шт. Колорадо, США. С нее осуществляется управление системой навигации GPS в мировом масштабе. База ВВС Шривер (Schriever) является местом размещения 50-го космического соединения США – подразделения командования воздушно-космических сил.
Наземная часть системы 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.. Количество наземных станций непрерывно растет, на всех станциях слежения используются приемники GPS для пассивного слежения за навигационными сигналами всех спутников. 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.
Определение координат и GPS навигация.
Основой идеи определения координат GPS-приемника является вычисление расстояния от него до нескольких спутников, расположение которых считается известным. Определение местоположения GPS-приёмника в пространстве осуществляется на базе алгоритма измерения расстояния от точки наблюдения до спутника. Дальнометрия основана на вычислении расстояния по временной задержке распространения радиосигнала от спутника к приемнику. Если знать время распространения радиосигнала, то пройденный им путь легко вычислить. 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 системы GPS непрерывно генерирует радиоволны двух частот – L1=1575.42МГц и L2=1227.60МГц. Каждый GPS-приемник имеет собственный генератор, работающий на той же частоте и модулирующий сигнал по тому же закону, что и генератор спутника. Таким образом, по времени задержки между одинаковыми участками кода, принятого со спутника и сгенерированного самостоятельно, можно вычислить время распространения сигнала, а, следовательно, и расстояние до спутника.
Основная проблема при вычислении расстояния до спутника системы GPS связанна с синхронизацией часов на спутнике и в приемнике. Даже мизерная погрешность может привести к огромной ошибке в определении расстояния. Каждый спутник несет на борту высокоточные атомные часы, которые встроить в обычный GPS-приёмник невозможно. Чтобы скоррелировать временное рассогласование и избежать огромных ошибок в позиционировании, в систему GPS введен принцип избыточности для определения трехмерных координат на поверхности Земли. GPS-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. GPS-приёмник получает, например, эфемериды (точные данные об орбите спутника), прогноз задержки распространения радиосигнала в ионосфере, а также сведения о работоспособности спутника (так называемых “альманах”, содержащий обновляемые каждые 12.5 минут сведения о состоянии и орбитах всех спутников). Эти данные передаются со скоростью 50 бит/с на частотах L1 или L2.
Расстояние до навигационных спутников системы GPS обозначим как А, В и С. Допустим, что известно расстояние А до одного спутника. В данном случае координаты GPS-приемника определить нельзя, т.к. он может находится в любой точке сферы с радиусом А, описанной вокруг спутника. Если известна удаленность В приемника от второго спутника, то определение координат также не представляется возможным – объект находится где-то на окружности (показана синим цветом), которая является пересечением двух сфер. Известное расстояние С до третьего спутника сокращает неопределенность в координатах до двух точек (обозначены красными точками). Этого уже достаточно для однозначного определения координат GPS-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, теоретически 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.
Недостатками GPS навигации является то, что при определённых условиях сигнал может не доходить до GPS-приёмника, поэтому практически невозможно определить своё точное местонахождение в глубине квартиры внутри железобетонного здания, в подвале или в тоннеле. Рабочая частота GPS находится в дециметровом диапазоне радиоволн, поэтому уровень приёма сигнала от спутников может ухудшиться под плотной листвой деревьев, в районах с плотной городской застройкой или из-за большой облачности, а это скажется на точности позиционирования. Магнитные бури и наземные радиоисточники тоже способны помешать нормальному приёму сигналов GPS. Карты, предназначенные для GPS навигации, быстро устаревают и могут быть не точными, поэтому нужно верить не только данным GPS-приёмника, но и своим собственным глазам. Особенно стоит отметить, 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 (SA – selective availability) или вообще полностью отключит гражданский сектор GPS как в отдельно взятом регионе, так и вообще. Претенденты уже были. Благо, что у GPS есть альтернатива в виде навигационных систем ГЛОНАСС (Россия) и Galileo (ЕС), которые в перспективе должны получить широкое распространение.
Планируете заказать и купить автомобильный или туристический GPS навигатор — посмотрите наш электронный каталог. В каталоге представлены GPS навигаторы известных брэндов.
GPS — 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.
Большинство навигационных спутниковых систем появилось в ответ на запросы военных и долгое время ограничивалось GPS и ГЛОНАСС. Однако после того, как стало понятно, что данные со спутников можно эффективно использовать в мирных целях, число систем принялось планомерно расти. Мы изучили наиболее значимые из существующих сегодня НСС.
Действующих спутников: 31
Всего спутников на орбите: 32
Средняя высота от Земли: 22180
Время полного оборота вокруг Земли: 11 ч 58 мин
Американская система появилась в 1974 году и сразу произвела фурор своей эффективностью. Правительству США пришлось даже искусственно понижать точность определения координат, чтобы сохранить преимущества для своих военных. От собственноручно созданных трудностей избавились только в 2000 году — после указа Билла Клинтона. Первоначально архитектура GPS подразумевала использование 24 спутников, однако для большей надежности на орбите находится сразу 32 слота, постоянно из которых используется 31. Каждый спутник огибает Землю дважды в день и управляется с военной базы Шривер радиосигналами частотой в 2000-4000 МГц. GPS была и остается бесспорным лидером среди подобных систем и найти НСС-устройство без чипа с поддержкой GPS довольно трудно — как минимум в западном полушарии. Несмотря на свою явную успешность, GPS не стоит на месте. Уже в 2017 году будет запущен аппарат третьего поколения, чья главная особенность — способность передавать гражданские сигналы нового типа: L2C, L1C и L5. Известно, что сейчас GPS-сигнал нередко теряется среди городских небоскребов. Запуск нового аппарата решает эту проблему и имеет важное значениедля интеграции с другими системами, так как сигнал L2C универсален и может работать не только с GPS.
Действующих спутников: 24
Всего спутников на орбите: 24
Средняя высота: 19400 км
Время полного оборота вокруг Земли: 11 ч 15 мин
О влиянии холодной войны на технический прогресс в США и СССР слышали все. Поэтому запуск советскими учеными собственного проекта в ответ на появление GPS — шаг логичный и ожидаемый. Несмотря на то, что работы над проектом ГЛОНАСС начались еще в 1976 году, а на развертывание программы было потрачено 2,5 миллиарда долларов, официальный запуск системы произошел лишь в 1993 году. Девяностые выдались для отечественной науки не самыми безоблачными, финансирование было урезано, потому догнать и обогнать американского брата нам не удалось. Однако само появление второй системы создало необходимую для развития конкуренцию, что наилучшим образом повлияло всю отрасль в целом. В 2018 году в космос планируется запустить спутники системы ГЛОНАСС-К2, так же способные передавать сигналы в диапазонах L1 и L2.
Действующих спутников: 10
Всего спутников на орбите: 30 (в планах)
Средняя высота: 23222 км
Время полного оборота вокруг Земли: 14 ч 4 мин
Действующих спутников: 20
Всего спутников на орбите: 35 (в планах)
Средняя высота: от 21500 до 36000 км
Время полного оборота вокруг Земли: 12 ч 38 мин
Эта *пока еще* локальная система навигации была запущена в октябре 2000 года в Китае и стала самым стремительно развивающимся проектом отрасли. Планируется, что к 2020 году Бэйдоу получит 5 спутников на геостационарной и 30 на среднеземной орибитах, что даст ей право именоваться глобальной системой навигации. В отличие от европейской, нацеленной на сотрудничество с американцами, китайская система активно дружит с российской ГЛОНАСС. В мае этого года президенты стран договорились о взаимной эксплуатации двух систем.
Дмитрий Рогозин, куратор космической программы РФ:
— Если, скажем, GPS и Galileo выступает здесь как некая пара навигационных систем, охватывающих страны — члены НАТО, то мы видим возможность активной кооперации российско-китайских навигационных систем. Тем более что Китай уже сейчас вышел на второе место в мире по обладанию орбитальной группировкой.
Действующих спутников: 1
Всего спутников на орбите: 4 (в планах)
Средняя высота: от 32 000 до 42 164 км
Время полного оборота вокруг Земли: 23 ч 56 мин
Интересный проект представляет японское агентство аэрокосмических исследований JAXA. Он предполагает запуск на геосинхронную орбиту системы из четырех спутников, рассчитанных на работу в азиатском регионе. Первый из них запущен в космос в 2010 году, а завершить работу планируется к концу 2017. Главная особенность проекта — сосредоточенность на поддержке мобильных приложений, что для Японии с ее крупнейшим в мире мобильным рынком, выглядит как само собой разумеющийся факт. Навигационная система сосредоточена прежде всего на улучшении качества мобильной картографии, платного медиа-контента, информации о достопримечательностях для туристов и системы мониторинга общественного транспорта.
Действующих спутников: 4
Всего спутников на орбите: 7 (в планах)
Средняя высота: 36 000 км
Время полного оборота вокруг Земли: 23 ч 56 мин
Удовлетворение потребностей более чем миллиарда индийцев — более чем амбициозная задача, поэтому индийская система в ближайшее время на мировое господство не претендует. Четыре из семи разработанных спутника уже вращаются вокруг Земли, чтобы обеспечить жителей страны всеми благами навигации. Сегодня IRNSS используется в наземной, воздушной и морской навигации, сервисе точного времени, управлении ликвидациями последствий катастроф, картографии и геодезии, логистике, мониторинге автотранспорта, туризме. И, конечно, активно интегрируется с мобильными телефонами — куда без них теперь.
Загрузка...