GPS

      GPS (Global Positioning System) - это спутниковая навигационная система, позволяющая с точностью до 100 м определить местоположение объекта: его широту, долготу, высоту над уровнем моря, а также направление и скорость его движения. Кроме того, с помощью GPS можно определить время с точностью до 1 наносекунды.

      Идея  создания спутниковой навигации  родилась ещё в 50-е годы. В тот  момент, когда СССР был запущен  первый искусственный спутник Земли, американские учёные во главе с Ричардом Кершнером наблюдали сигнал, исходящий от советского спутника и обнаружили, что благодаря эффекту Доплера частота принимаемого сигнала увеличивается при приближении спутника и уменьшается при его отдалении. Суть открытия заключалась в том, что если точно знать свои координаты на Земле, то становится возможным измерить положение и скорость спутника, и наоборот, точно зная положение спутника, можно определить собственную скорость и координаты.

      Реализована эта идея была через 20 лет. В 1973 году была инициирована программа DNSS, позже переименованная в Navstar-GPS и затем в GPS. Первый тестовый спутник выведен на орбиту 14 июля 1974 г. США, а последний из всех 24 спутников, необходимых для полного покрытия земной поверхности, был выведен на орбиту в 1993 г., таким образом, GPS встала на вооружение. Стало возможным использовать GPS для точного наведения ракет на неподвижные, а затем и на подвижные объекты в воздухе и на земле.

      Первоначально GPS — глобальная система позиционирования, разрабатывалась как чисто военный проект. Но после того, как в 1983 году был сбит вторгшийся в воздушное пространство Советского Союза самолёт Корейских Авиалиний с 269 пассажирами на борту, президент США Рональд Рейган разрешил частичное использование системы навигации для гражданских целей. Во избежание применения системы для военных нужд точность была уменьшена специальным алгоритмом. Затем появилась информация о том, что некоторые компании расшифровали алгоритм уменьшения точности на частоте L1 и с успехом компенсируют эту составляющую ошибки. В 2000 г. это загрубение точности отменил своим указом президент США Билл Клинтон. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Вся система функционирует на основе орбитальных спутников. Они находятся  на шести орбитах, высота которых  составляет порядка 20000 километров, а  скорость движения равна 3000 м/сек. Таким образом, за сутки каждый сателлит делает два «витка» вокруг земли.  

    Созвездие спутников GPS

    Система GPS работает при любых погодных условиях по всему миру 24 часа в сутки. С  ее помощью можно с высокой  степенью точности определять координаты и скорость подвижных объектов. 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 (спутниковый навигатор).

    Система состоит из 24 спутников (на самом деле спутников больше, но некоторые из них находятся в резерве), вращающихся по б орбитам на высоте около 20 000 км с периодом обращения 12 часов, нескольких наземных станций слежения, систем связи и центрального пункта управления. Наклон орбит к земному экватору - 55 градусов, угол между плоскостями орбит - 60 градусов.

    Каждый  спутник весит меньше 1 т и имеет  размер около 5 м (с раскрытыми солнечными батареями). Мощность радиопередатчика - не более 50 Вт. Спутники рассчитаны на работу примерно в течение 10 лет. Новые спутники изготавливаются и запускаются на орбиту по мере необходимости. Спутники GPS способны передвигаться по орбитам, заполняя бреши в системе (если один из них вышел из строя). Важным элементом спутника являются атомные часы, рубидиевые и цезиевые, по четыре на каждом.

    Орбиты  спутников располагаются примерно между 60 градусами северной и южной  широты. Этим обеспечивается устойчивый прием сигнала от нескольких спутников  повсеместно в любое время. "Увидеть"спутники можно даже на полюсах, правда, они не будут пролетать прямо над головой. Спутники регулярно передают на Землю:

    - свой статус (сообщение об исправности  или неисправности) 

    - текущую дату 

    - текущее время 

    - данные альманаха (орбитальные  данные всех спутников) 

    - точное время отправки всей совокупности сообщений

    - бортовые эфемериды (расчётные  координаты своего положения  в этот момент времени)

    Наземная  часть Системы GPS состоит из 4 станций  слежения, расположенных на тропических  островах. Они отслеживают видимые  спутники и передают данные на Главную станцию управления и контроля на авиабазе в Колорадо-Спрингс для обработки на сложных компьютерных программных моделях. Эти наборы данных называются эфемеридами. Через наземные станции данные передаются обратно на спутники, а затем спутник передает их приемникам GPS.

    Определение местоположения GPS приемника основано на измерении задержки прохождения  радиосигнала от нескольких спутников  и вычисления на основе этих измерений  географических координат и высоты над уровнем моря.

    Сигнал каждого спутника содержит псевдослучайный код (PRN - PseudoRandom Number code), эфемериды (ephimeris) и альманах (almanach).Несмотря на то, что для нормальной работы системы достаточно 24-х спутников, на данный момент в орбитальную группировку входит 30 рабочих аппаратов. Это помогает добиться более точного определения координат.

    Период  повторения кода очень велик, а 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.

    Одной из основных технических сложностей описанного выше метода является синхронизация  часов на спутнике и в приемнике. Даже мизерная, по обычным меркам, погрешность может привести к огромной ошибке в определении расстояния. Каждый спутник несет на борту высокоточные атомные часы. Понятно, что устанавливать подобные часы в каждый приемник невозможно. Поэтому для коррекции ошибок в определении координат из-за погрешностей встроенных в приемник часов используется некоторая избыточность в данных, необходимых для однозначной привязки к местности.

    Псевдослучайный код служит также для идентификации  передающего спутника. Все спутники пронумерованы от 1 до 32, и этот номер показывается на экране GPS-приемника во время его работы. Количество номеров больше, чем число спутников. Это облегчает обслуживание GPS-сети: новый спутник может быть запущен, проверен и введен в эксплуатацию еще до того, как старый выйдет из строя. Такому спутнику просто будет присвоен новый номер (от 1 до 32). Данные эфемерид, постоянно передаваемые каждым спутником, содержат важную информацию: точные параметры орбиты, текущую дату и точное время, прогноз задержки распространения радиосигнала в ионосфере (скорость света меняется при прохождении разных слоев атмосферы), а также сведения о работоспособности спутника.

    Данные  альманаха содержат служебную информацию о том, где в течение дня  должны находиться все GPS-спутники и их состояние (рабочее или нерабочее).

    Ваш GPS-приемник получает сообщение от спутника и запоминает эфемериды и данные альманаха для дальнейшего использования. Эта же информация используется для установки или коррекции часов приемника.

    Для определения своего местоположения GPS-приемник сравнивает время отправки сигнала со спутника со временем его получения на Земле. Эта разница во времени говорит приемнику о расстоянии до конкретного спутника.

    Основой идеи определения координат GPS-приемника является вычисление расстояния от него до нескольких спутников, расположение которых считается известным, (эти данные содержатся в принятом со спутника альманахе). В геодезии метод вычисления положения объекта по измерению его удаленности от точек с заданными координатами используется для триангуляции.

         Все GPS-приемники делятся на два основных типа — кодовые и фазовые. Первые для определения координат используют информацию спутникового сигнала, вторые же для вычисления используют сам радиосигнал. На сегодняшний день фазовые приемники используются исключительно в геодезии и картографии, их стоимость может достигать нескольких десятков тысяч долларов, а точность измерения доходит до нескольких миллиметров. Для гражданских же нужд используются исключительно кодовые приемники.

Весь  спектр моделей GPS-приёмников по особенностям использования можно в целом разделить на четыре большие группы:

- Персональные  GPS-приёмники индивидуального применения. Эти модели отличаются небольшими габаритами и широким набором сервисных функций: от базовых навигационных, включая возможность формирования и расчёта маршрутов следования, до функции приёма и передачи электронной почты.

    - Автомобильные GPS-навигаторы.Эти устройства могут быть как встроены в автомобиль на производстве, так и установлены после покупки. Они всегда снабжены подробной картой, с помощью которой можно проложить маршрут, учитывающий все правила движения. Они обладают большим и нередко сенсорным цветным дисплеем и оптимизированы под использование в автомобиле. Многие модели позволяют загружать информацию о пробках и дорожных работах. 

    - Морские GPS-приёмники, оснащённые ультразвуковым эхолотом, а также дополнительными сменными картриджами с картографической и гидрографической информацией для конкретных береговых районов. В них сосредоточено, пожалуй, наибольшее количество специализированных функций. Здесь и прием данных о погоде, и информация о морских течениях, глубинах, приливах/отливах, и возможность прослушивания спутниковых радиостанций. Они, как правило, имеют довольно внушительные размеры и водонепроницаемый корпус.

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