Gps система – Спутниковая система навигации — это… Что такое Спутниковая система навигации?
какие бывают системы, параметры и функции / Promwad corporate blog / Habr
В этой статье мы расскажем про глобальные системы позиционирования, разработанные в США, России, ЕС и Китае; объясним, как поддержка технологий глобальной спутниковой навигации реализована в электронных устройствах, а также опишем ключевые и дополнительные функции современных навигационных приемников.
GPS
Система GPS (Global Positioning System) создавалась для применения в военных целях. Она начала работать в конце 80-х — начале 90-х годов, однако до 2000 года искусственные ограничения на определение местоположения существенно сдерживали ее возможности использования в гражданских целях.
После отмены ограничений на точность определения координат ошибка снизилась со 100 до 20 м (в последних поколениях GPS-приёмников при идеальных условиях ошибка не превышает 2 м). Такие условия позволили использовать систему для широкого круга общих и специальных задач:
- Определение точного местоположения
- Навигация, движение по маршруту с привязкой к карте на основании реального местоположения
- Синхронизация времени
Орбиты спутников системы GPS. Пример видимости спутников из одной из точек на поверхности Земли. Visible sat — это число спутников, видимых над горизонтом наблюдателя в идеальных условиях (чистое поле).
ГЛОНАСС
Российский аналог GPS — ГЛОНАСС (глобальная навигационная спутниковая система) — была развёрнута в 1995 году, но в связи с недостаточным финансированием и малым сроком службы спутников она не получила широкого распространения. Вторым рождением системы можно считать 2001 год, когда была принята целевая программа ее развития, благодаря которой ГЛОНАСС возобновил полноценную работу в 2010 году.
Сегодня на орбите работают 24 спутника ГЛОНАСС, они охватывают навигационным сигналом весь земной шар.
Новейшие потребительские устройства используют GPS и ГЛОНАСС как взаимодополняющие системы, подключаясь к ближайшим найденным спутникам, это значительно увеличивает скорость и точность их работы.
Пример: aвтомобильное GPS/ГЛОНАСС-навигационно-связное устройство на базе ОС Android, разработанное командой Promwad по заказу российского конструкторского бюро. Реализована поддержка GSM/GPRS/3G. Устройство автоматически обновляет информацию о дорожной обстановке в режиме реального времени и предлагает водителю оптимальный маршрут с учётом загруженности дорог.
Сейчас на стадии разработки находятся еще две спутниковые системы: европейская Galileo и китайская Compass.
Galileo
Галилео — совместный проект Европейского союза и Европейского космического агентства, анонсированный в 2002 году. Изначально рассчитывали, что уже в 2010 году в рамках этой системы на средней околоземной орбите будут работать 30 спутников. Но этот план не был реализован. Сейчас предположительной датой начала эксплуатации Galileo считается 2014 год. Однако ожидается, что полнофункциональное использование системы начнется не ранее 2020 года.
Compass
Это следующая ступень развития китайской региональной навигационной системы Beidou, которая была введена в эксплуатацию после запуска 10 спутников в конце 2011 года. Сейчас она обеспечивает покрытие в границах Азии и Тихоокеанского региона, но, как ожидается, к 2020 году система станет глобальной.
Сравнение орбит спутниковых навигационных систем GPS, ГЛОНАСС, Galileo и Compass (средняя околоземная орбита — MEO) с орбитами Международной космической станции (МКС), телескопа Хаббл и серии спутников Иридиум (Iridium) на низкой орбите, а также геостационарной орбиты и номинального размера Земли.
Поддержка ГНСС
Поддержка технологи глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) в электронных устройствах реализуется на базе навигационных приемников, которые могут быть выполнены в различных вариантах:
- Smart Antenna — модуль, состоящий из керамической антенны и навигационного приемника. Преимущества: компактность, не требует согласования, удешевляет разработку за счет сокращения сроков.
- MCM (Multi Chip Module) — чип, включающий все компоненты навигационного приемника.
- OEM — экранированная плата, включающая ВЧ интерфейсный процессор и процессор частот основной полосы (RF-frontend + baseband), SAW-фильтры и обвязку. Это наиболее популярное решение на данный момент.
Навигационный модуль подключается к микроконтроллеру или системе на кристалле по интерфейсу UART/RS-232 или USB.
Ключевые параметры навигационных приемников
Прежде чем навигационный приемник сможет выдавать информацию о местоположении, он должен обладать тремя наборами данных:
- Сигналы от спутников
- Альманах — информация о приблизительных параметрах орбит всех спутников, а также данные для калибровки часов и характеристики ионосферы
- Эфемериды — точные параметров орбит и часов каждого спутника
Характеристика TTFF показывает сколько времени требуется приемнику на поиск сигналов от спутников и определение местоположения. Если приёмник новый, или был выключен на протяжении длительного периода, или был перевезен на большое расстояние с момента последнего включения, время до получения набора необходимых данных и определения места увеличивается.
Производители приемников используют различные методы уменьшения TTFF, включая скачивание и сохранения альманаха и эфемерид по беспроводным сетям передачи данных (т.н. метод Assisted GPS или A-GPS), это быстрее чем извлечение этих данных из сигналов ГНСС.
Холодный старт описывает ситуацию, когда приемнику нужно получение всей информации для определения места. Это может занять до 12 минут.
Теплый старт описывает ситуацию, когда у приемника есть почти вся необходимая информация в памяти, и он определит место в течении минуты.
Одним из ключевых параметров навигационных модулей в мобильных устройствах является энергопотребление. В зависимости от режима работы модуль потребляет различное количество энергии. Фаза поиска спутников (TTFF) характеризуется большим, а слежение меньшим энергопотреблением. Также производители реализуют различные схемы уменьшения энергопотребления, например, путем периодического перевода модуля в режим сна.
Как правило, все модули выдают данные по текстовому протоколу NMEA-0183, но кроме указанного текстового протокола каждый производитель имеет свой собственный двоичный протокол (Binary), который позволяет изменять конфигурацию модуля под конкретное использование либо получать доступ к дополнительному функционалу, а также доступ к сырым измерениям. Двоичный протокол удобен для использования на микроконтроллерах, т.к. при этом нет необходимости выполнять преобразование из текста в двоичные данные, тем самым экономя программную память путем исключения библиотеки работы со строками и времени на преобразование.
Стандарт NMEA-2000 — это развитие протокола NMEA-0183. В качестве физического уровня в NMEA-2000 используется CAN-шина, которая была выбрана в виду большей защищенности по сравнению с RS-232. С точки зрения протокола передачи данныхNMEA-2000 существенно отличается от своего предшественника, т.к. использует двоичный протокол, базирующийся на стандарте SAE J1939.
Частота обновления данных о местоположении и скорости всех модулей составляет 1 Гц, но при необходимости ее можно поднять до 5 или 10 Гц.
В зависимости от области применения модуль можно сконфигурировать под определенные динамические характеристики, которые он должен отслеживать (например, максимальное ускорение объекта). Это позволяет использовать оптимальный алгоритм и улучшать качество измерений.
Для выполнения навигационной задачи модуль должен одновременно принимать сигналы от нескольких спутников, т.е. иметь несколько приемных каналов. На сегодняшний день это число лежит в диапазоне от 12 до 88.
Точность определения местоположения по GPS составляет в среднем 15 м, она обусловлена используемым неточным сигналом, влиянием атмосферы на распространение радиосигнала, качеством кварцевых генераторов в приемниках и пр. Но с помощью корректирующих методов возможно улучшить точность определения местоположения. Эта технология называется Differential GPS. Существует два метода коррекции: наземный и спутниковый DGPS.
В наземных методах коррекции наземные станции дифференциальных поправок постоянно сверяют свое заведомо известное местоположение и сигналы от навигационных спутников. На базе этой информации вычисляются корректирующие величины, которые могут быть переданы с помощью УКВ- или ДВ-передатчика на мобильные DGPS-приемники в формате RTCM. На основании полученной информации потребитель может корректировать процесс определения собственного местоположения. Точность этого метода составляет 1—3 метра и зависит от расстояния до передатчика корректирующей информации и качества сигнала.
Спутниковые методы, такие как система WAAS (Wide Area Augmentation System), доступная в Северной Америке, и система
Спутниковые системы дифференциальной коррекции (SBAS — Space Based Augmentation Systems) позволяют улучшить точность, надежность и доступность навигационной системы за счет интеграции внешних данных в процессе расчета
Демонстрация принципа работы системы WAAS (Wide Area Augmentation System) на территории США
Одним из основных параметров, влияющих на точность определения местоположения и стабильность приема является чувствительность. Она, как правило, определяется качеством малошумящего усилителя на входе приемника и сложностью реализованных алгоритмов цифровой обработки. Типовые значения современных приемников лежат в диапазоне 143 дБм для поиска и 160 дБм для слежения.
Кроме определения местоположения ГНСС предоставляют информацию о точном времени. Как правило, все приемники имеют выход PPS (pulse per second, импульсов в секунду) — секундная метка (1 Гц), которая точно синхронизирована с временной шкалой UTC.
Дополнительные функции навигационных устройств
Счисление пути. На основе информации о направлении движения и пройденном пути (предоставляется дополнительными датчиками) приемник может рассчитывать свои координаты при отсутствии сигналов от спутников (например, в туннелях, на подземных стоянках и в плотной городской застройке).
Некоторые модули имеют возможность напрямую подключать флэш-память (например, по SPI) к модулю для записи трека c необходимой периодичностью. Эта функция позволяет отказаться от использования отдельного микроконтроллера, либо она может быть полезной для минимизации энергопотребления (т.е. система на кристалле может находиться в состоянии сна).
На этом поверхностный обзор технологий глобальной спутниковой навигации завершен. Спасибо за внимание. Примеры реализованных проектов на базе этих ГЛОНАСС и GPS можно посмотреть на странице разработок компании Promwad.
GPS система
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.
- 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.
Похожее
 О системе GPSИстория создания Global Positioning System (GPS) ведёт своё начало с 1973 г., когда Управление совместных программ, входящее в состав Центра космических и ракетных исследований США, получило указание Министерства обороны США разработать, испытать и развернуть навигационную систему космического базирования. Результатом данной работы стала система, получившая первоначальное название NAVSTAR (NAVigation System with Time And Ranging), из которого прямо следовало, что система предназначена для решения двух главных задач – навигации, т. е. определения мгновенного положения и скорости потребителей, и синхронизации шкал времени. Поскольку инициатором создания GPS являлось Министерство обороны США, то в качестве первоочередных задач предусматривалось решение задач обороны и национальной безопасности. Отсюда ещё одно раннее название системы – оборонительная система спутниковой навигации (Defense Navigation Satellite System – DNSS). Разработка концепции построения и архитектуры GPS заняла примерно 5 лет, и уже в 1974 году фирма Rockwell получила заказ на изготовление первых восьми космических аппаратов (КА) Block I для создания демонстрационной системы. Первый КА был запущен 22 февраля 1978, и в том же году Rockwell получила контракт на создание ещё четырёх КА. Первоначально предполагалось, что орбитальная группировка GPS будет насчитывать 24 КА в трёх орбитальных плоскостях высотой 20200 км и наклонением 63°. К моменту начала серийного производства в 1989 году космических аппаратов модификации Block II было принято решение об изменении параметров орбиты GPS, в частности, наклонение было изменено на 55°, а количество орбитальных плоскостей увеличено до 6. Выделяют два важных этапа развёртывания системы GPS – фазу первоначальной работоспособности (IOC) и фазу полной работоспособности (FOC). Этап IOC начался в 1993 году, когда в составе орбитальной группировки насчитывалось 24 КА различных модификаций (Block I/II/IIA), готовых к использованию по целевому назначению. Переход в режим FOC состоялся в июле 1995, после завершения всех лётных испытаний, хотя фактически система начала предоставлять услуги в полном объеме с марта 1994 года. Таким образом, GPS является полностью работоспособной уже в течение более чем двух десятилетий, при этом на протяжении всей своей истории GPS постоянно модернизировалась с целью удовлетворения требований различных категорий как гражданских, так и военных потребителей. При проектировании GPS предполагалось, что точность навигационных определений при использовании C/A-кода будет в пределах 400 м. Реальная точность измерений по C/A-коду оказалась в 10 и более раз выше – 15-40 м (СКО) по координатам и доли метра в секунду по скорости. Возможность получения такой точности измерений с помощью несложной коммерческой АП вызвала в США опасения, что сигналы GPS могут быть использованы потенциальным противником, в том числе в системах высокоточного оружия. В качестве защитной меры, начиная с космического аппарата Block II, в GPS были реализованы два метода преднамеренной деградации (загрубления) точности навигационно-временного обеспечения гражданских потребителей – селективный доступ и одновременно принятые меры по защите от так называемых уводящих помех. Деактивация режима селективного доступа была осуществлена 2 мая 2000 г. около 4:00 (UT). Точность автономной навигации возросла почти в 10 раз, что дало гигантский импульс к развитию прикладных навигационных технологий. Текущий третий этап модернизации GPS предполагает разработку и производство космических аппаратов следующего поколения Block III, которые в сочетании с усовершенствованным наземным комплексом управления и навигационной аппаратурой потребителей обеспечат улучшенные характеристики в части помехозащищённости, точности, доступности и целостности координатно-временного и навигационного обеспечения.  Услуги системы GPSСистема GPS предоставляет два вида услуг:
Каждый космический аппарат излучает навигационные сигналы на нескольких несущих частотах. Квадратурные составляющие сигналов, передаваемых на каждой из несущих частот, подвергаются фазовой манипуляции различными дальномерными псевдослучайными последовательностями (ПСП). Структура некоторых из этих ПСП опубликована, соответственно данный сигнал может приниматься всеми потребителями. Структура другой части ПСП закрыта, поэтому данный сигнал доступен для приёма только санкционированным потребителям, которым структура ПСП известна. Услуга стандартного позиционирования SPS и временной синхронизации доступна для всех категорий потребителей безвозмездно и глобально и реализуется посредством излучения всеми космическими аппаратами GPS навигационных радиосигналов, модулированных дальномерным кодом C/A (Coarse/Acquisition – грубый приём). Код C/A представляет собой ПСП Голда длительностью 1 023 символа с тактовой частотой 1,023 МГц. Таким образом, ПСП C/A-кода имеет период повторения T = 1 мс, что соответствует интервалу однозначного измерения псевдодальности около 300 км. Программа развития GPS предусматривает предоставление гражданским потребителям услуги SPS с помощью сигналов L2C, L5 и L1C. Услуга точного позиционирования PPS реализуется посредством излучения всеми космическими аппаратами орбитальной группировки GPS навигационных радиосигналов в диапазонах L1 и L2, модулированных дальномерным P(Y)-кодом. Услуга PPS предназначена для использования исключительно вооружёнными силами США, федеральными агентствами США и вооружёнными силами некоторых союзников. Орбитальная группировкаШтатная орбитальная группировка GPS состоит из 32 основных космических аппаратов, расположенных на шести круговых орбитах, обозначаемых латинскими буквами от A до F. Дополнительно на некоторых орбитах может находиться один или два резервных КА, предназначенных для сохранения параметров системы при выходе из строя основных КА. Наклонение орбитальных плоскостей 55°, долготы восходящих узлов различаются на 60°. Высоте орбит 20 200 км соответствует период обращения 11 ч 58 мин, т. е. орбиты космических аппаратов GPS являются синхронными. 
Текущее состояние ОГ GPS Типы космических аппаратовВ настоящее время восполнение орбитальной группировки осуществляется запуском космических аппаратов Block IIF («F» – follow on – продолжение). В соответствии с действующими планами КА Block IIF должны сменить на орбите КА Block IIA, КА Block III придут на смену Block IIR («R» – replacement – замена). Основной задачей КА Block III является предоставление навигационных услуг с помощью нового навигационного радиосигнала L1C и повышение точности эфемеридно-временной информации, доступности навигационного радиосигнала, мощности излучения, а также увеличение срока активного существования.
Навигационные радиосигналыСпектр навигационных радиосигналов системы GPS
СТРУКТУРА ЦИ НАВИГАЦИОННЫХ РАДИОСИГНАЛОВ СИСТЕМЫ GPSВнедрение новых навигационных сигналов GPS сопровождается совершенствованием структуры цифровой информации и применением новых видов модуляции, а также переходом от структуры навигационного сообщения типа NAV на структуры типа CNAV и CNAV-2. Навигационные сообщение типа CNAV являются усовершенствованными версиями навигационного сообщения NAV, позволяющие точнее передавать оперативную и неоперативную информацию о состоянии GPS. В навигационном сообщении CNAV содержится информация того же типа, что и в сообщении NAV (текущее время, признаки состояния КА, эфемеридно-временная информация, альманах системы и т.п.), однако эта информация передается в новом формате. Вместо использования архитектуры суперкадров/кадров сообщение передается в виде пакетов различной длительности. Наиболее существенными изменениями структуры CNAV являются расширение количества космических аппаратов используемых по целевому назначению с 32 до 63, а также возможность оперативно передать данные о работоспособности конкретного аппарата (целостности) с задержкой менее 6 с. Система координат и шкала времениСистема координатВ GPS используется Всемирная геодезическая система 1984 года (World Geodetic System – WGS-84). Очередное уточнение параметров системы WGS-84 (G1678) состоялось в 2012 году, при этом расхождения между действующей системой WGS-84 и ITRF 2008 составляет величину порядка 1 см, т. е. обе системы являются фактически идентичными.
Система времениСистемное время GPS связано с координированным всемирным временем (UTC) в соответствии с наблюдениями морской обсерватории США (USNO). Номинально шкала времени GPS имеет постоянное, равное 19 с, расхождение с международным атомным временем TAI. Отсчёт времени ведётся в неделях GPS и секундах в рамках текущей недели, начало отсчёта – 00 ч 00 мин 06.01.1980. В системе GPS номер недели записывается с помощью 10-разрядного двоичного числа, максимальное значение номера недели равно 1 023. Нулевой номер недели повторился в полночь с 21 на 22 августа 1999 г. Наземный комплекс управленияУправление орбитальной группировкой GPS осуществляет 2-ая оперативная космическая эскадрилья Космического командования ВВС США. В настоящее время управление орбитальной группировкой GPS осуществляет наземный комплекс управления 2 поколения (Operational Control Segment — OCS), который включает в себя:  Главный центр управления системой GPS на базе ВВС Шривер
 Резервный центр управления системой GPS
 Станции мониторинга Национального агентства геопространственной разведки
 Глобальную сеть закладочно-измерительных станций
 Станции мониторинга GPS ВВС США
 Запросные станции GPS L-диапазона  Наземный комплекс управления GPS реализует беззапросную технологию эфемеридно-временного обеспечения. Глобальная сеть командно-измерительных станций позволяет производить закладку информации на борт с периодичностью 4 — 6 ч. Интерфейсный контрольный документИнтерфейсный контрольный документ GPS: www.gps.gov/technical/icwg/ Официальный сайтОфициальный сайт системы GPS: www.gps.gov Пользовательский информационный центр GPS: www.navcen.uscg.gov Наверх |
GPS. Прошлое, настоящее и будущее глазами обывателя / Habr
Введение
В настоящее время, когда современные телефоны стали в десятки раз мощнее первых суперкомпьютеров, когда появились первые iPhone, iPad и множество устройств на Android мы получили новую идеологию применения этих ресурсов. Карманные гаджеты теперь не просто уменьшенные до размеров ладони компьютеры, а инструменты, позволяющие пользователю при помощи одного пальца управлять целыми сферами его жизни – всеми сферами, в которые проник Интернет: общением, развлечениями, путешествиями, поиском информации…
Список можно продолжать до бесконечности. Во многом вплетению Интернета в нашу жизнь поспособствовала GPS-навигация. Теперь, когда почти у каждого в кармане лежит GPS-приемник, множество сервисов получило возможность улучшить нашу жизнь. Однако рассмотрим сначала историю происхождения GPS.
1. История появления и развития навигационной технологии
GPS (от англ. Global Positioning System) – спутниковая система навигации, обеспечивающая измерение расстояния, времени и определяющая местоположение объектов (см. Рисунок 1).
Проект был реализован и принадлежит военному ведомству США. Основной задачей проекта является определение текущих координат пользователя на поверхности Земли или в околоземном пространстве [4].
Идея создания спутниковой навигации родилась еще в 50-е годы. В тот момент, когда СССР был запущен первый искусственный спутник Земли, американские ученые во главе с Ричардом Кершнером (Richard Kershner), 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 вы точно знаете свои координаты на Земле, то становится возможным измерить положение и скорость спутника, и наоборот, точно зная положение спутника, можно определить собственную скорость и координаты (см. Рисунок 2).
Реализована эта идея была через 20 лет. Первый тестовый спутник выведен на орбиту 14 июля 1974 г. в США, а последний из всех 24 спутников, необходимых для полного покрытия земной поверхности, был выведен на орбиту в 1993 г., таким образом, глобальная система позиционирования 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 глобальная система позиционирования, разрабатывалась как чисто военный проект. Но после того, как в 1983 г. был сбит вторгшийся в воздушное пространство Советского Союза самолет корейских авиалиний с 269 пассажирами на борту, президент США Рональд Рейган разрешил частичное использование системы навигации для гражданских целей. Но 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, и в 2000 г. это загрубление точности было отменено указом президента США [2].
Ниже, в таблице представлена хронология развития GPS (см. Таблица 1).
Таблица 1- Хронология развития GPS
Дата Событие
1973 Решение о разработке спутниковой навигационной системы
1974—1979 Испытание системы
1977 Прием сигнала от наземной станции, симулирующей спутник системы
1978—1985 Запуск одиннадцати спутников первой группы (Block I)
1979 Сокращение финансирования программы. Решение о запуске 18 спутников вместо запланированных 24
1980 В связи с решением свернуть программу использования спутников Vela системы отслеживания ядерных взрывов, эти функции было решено возложить на спутники GPS. Старт первых спутников, оснащенных сенсорами регистрации ядерных взрывов
1980—1982 Дальнейшее сокращение финансирования программы
1983 После гибели самолета компании Korean Airline, сбитого над территорией СССР, принято решение о предоставлении сигнала гражданским службам
1986 Гибель космического челнока Space Shuttle «Challenger» приостановила развитие программы, так как последний планировался для вывода на орбиту второй группы спутников. В результате основным транспортным средством была выбрана ракета-носитель «Дельта»
1988 Решение о развертывании орбитальной группировки в 24 спутника. 18 спутников не в состоянии обеспечить бесперебойного функционирования системы
1989 Активация спутников второй группы
1990—1991 Временное отключение SA (англ. selective availability — искусственно создаваемой для неавторизированных пользователей округления определения местоположения до 100 метров) в связи с войной в Персидском заливе и нехваткой военных моделей приемников. Включение SA 1 Июня 1991 года
8.12.1993 Сообщение о первичной готовности системы. В этом же году принято окончательное решение о предоставлении сигнала для бесплатного пользования гражданским службам и частным лицам
1994 Спутниковая группировка укомплектована
17.07.1995 Полная готовность системы
1.05.2000 Отключение SA для гражданских пользователей, таким образом, точность определения выросла со 100 до 20 метров
26.06.2004 Подписание совместного заявления по обеспечению взаимодополняемости и совместимости Galileo и GPS
Декабрь 2006 Российско-американские переговоры по сотрудничеству в области обеспечения взаимодополняемости космических навигационных систем ГЛОНАСС и GPS
2. GPS сегодня
2.1. GPS – игры
Революцию геотаргетинговых сервисов, то есть построенных вокруг определения местоположения чего-либо (пользователя или точки на карте), можно было предсказать еще до появления новомодных смартфонов. Люди начали сходить с ума по GPS‑навигации сразу же, как только она получила распространение. 1 мая 2000 года пресс-служба Белого Дома объявила о том, что прекращено преднамеренное ухудшение точности гражданских приемников системы GPS, а уже 3 мая один из фанатов GPS Дейв Улмер решил проверить точность навигации. Он назвал эту идею «большой американской охотой на тайник при помощи GPS» и через Интернет сообщил о ней другим пользователям. Замысел был очень прост: где-то в лесу прячется контейнер, и регистрируются его географические координаты. Другие игроки должны найти «клад» при помощи своих GPS‑приемников. Правило для нашедшего: возьми какие-то вещи, оставь что-то свое. Улмер поместил собственный контейнер (черное ведро) недалеко от Портленда. Вместе с журналом, где участники могли отметить свое посещение, и карандашом он оставил небольшие подарки: видеокассеты, книги, диски и рогатку. В течение трех дней тайник был найден двумя игроками, которые прочитали о нем в сети. Другие энтузиасты начали размещать собственные тайники и публиковать их координаты, поддержав начинание. Как и многие другие идеи в Интернете, новая игра очень быстро завоевала популярность и со временем получила новое название – геокэшинг. Сайт Geocaching.com по сей день остается популярным ресурсом для геокэшеров всего мира, а в России действует ресурс geocaching.su. Российский вариант немного отличается от западного: тайники в отечественной версии игры рекомендуется создавать в местах, которые имеют историческое, культурное или природное значение [1].
2.2. GPS-метки
На основе геокэшинга были реализованы идеи GPS меток. Сервис foursquare предлагает пользователям отмечать на карте интересные места, бары, кафе, театры, в прочем, все, что может заинтересовать других. Благодаря этому сервису гораздо проще найти бар, где недавно отметился твой друг, нежели прибегать к Интернет-поиску. Однако и у foursquare есть не менее успешные аналоги, как русские – AlterGeo, так и зарубежные – Gowalla. Так же подобные сервисы развиваются и внутри социальных сетей: в Facebook – Places, в ВКонтакте – места, позволяющие отметиться в каком-либо месте и отметить друзей, которые находятся рядом с тобой. Можно предположить, что «Места» будут пронизывать почти весь мир.
2.3. Виртуальная реальность
Уже сейчас стали появляться первые GPS навигаторы, проводящие линии маршрута прямо по изображению с встроенной видеокамеры. Правда, работают они хуже некуда, сложно совместить неточный GPS-тег на карте с видеоизображением. Впрочем, это удалось сделать создателям Layar – браузера дополненной реальности. Он способен совмещать информационные карты с показаниями GSP приемника и компаса, накладывая результат на изображение с видеокамеры (см. Рисунок 3).
Однако это всего лишь браузер, а не навигатор, то есть о точке можно знать только расстояние, разделяющее вас, а вот как до нее пройти и что между вами находится, узнать не получится.
Интересное приложение выпустил сайт «Вокруг света». Оно способно определять местоположение и автоматически начинает рассказ о ближайшей достопримечательности. Радует и то, что присутствует ручной режим и, в случае ошибки GPS, можно выбрать интересующий объект вручную.
2.4. GPS – карты
Конечно же, нельзя не упомянуть о главных потребителях данной технологии – о мобильных картах. Google Maps, предустановленные в каждом приличном смартфоне, и «Яндекс. Карты», располагающие более точной на сегодня картой России, сражаются за наш рынок, то и дело добавляя новые функции и сервисы, становясь качественнее и сложнее. Трехмерный вид и быстрая векторная карта у Google против более грамотной навигации и более точной растровой карты у «Яндекса». Безусловное лидерство в отображении загруженности дорог и автомобильной маршрутизации, а также едва не ставшие «геотаргетинговым twitter’ом» пользовательские комментарии на карте у «Яндекса» против недавно запустившегося режима полноценного автомобильного навигатора у Google. Более грамотный поиск по русскоязычным названиям у «Яндекса» против пешеходной маршрутизации с учетом общественного транспорта у Google. Выбирать можно бесконечно, но в итоге у каждого пользователя стоят обе карты. Стоит «Яндексу» выпустить автомобильный навигатор внутри карт, аналогичный Google, и это навсегда изменит рынок GPS-навигации, дав нам на выбор два бесплатных, оперативно обновляющихся и компактных навигатора. А это сделает привычные GPS навигаторы архаизмом [1].
3. Кому это нужно?
Чем же помогут в жизни GPS устройства обычному человеку (см. Рисунок 4)?
Лучшая программа городской навигации проложит вам маршрут к заданному адресу. А если хорошенько попросите, то и несколько маршрутов на выбор. Причем, если вы выбрали один, а по пути решили отклониться от рекомендаций, тут же, на ходу, маршрут будет пересчитан. Она же спрогнозирует ожидаемые скорость и время прибытия к точке назначения, проведет вас до места, всякий раз предупреждая заранее на экране (а если включите голосовой режим, то и голосом) о поворотах, разворотах и прочих сменах простого прямого движения. А еще, если вам предстоит какая-нибудь сложная развязка, автоматически увеличит ее изображение до полной внятности и обозначит, по какому из рукавов надо двигаться. Более того, некоторые программы (и прилагаемые к ним недорогие подписные сервисы) позволяют учитывать в расчетах данные о реальных пробках на дорогах и предлагать маршруты более, может быть, длинные, но в данный момент более быстрые. Правда, эти сервисы еще только-только начинают развиваться, и инфраструктура, призванная их обеспечить, еще не вполне налажена.
Если же речь идет о поездках за рулем в чужом городе, а того пуще — за границей, здесь без навигатора (подключенного к умной программе и снабженного самыми свежими картами, которые обычно часто обновляются через Интернет) попросту не обойтись [3].
Заключение
Можно только предполагать, какое развитие получит навигация в будущем. Возможно все движение, в том числе и личный транспорт, будет управляться автоматическими компьютерными системами, и навигация будет контролировать перемещения, не давая сбиться с пути и предупреждая столкновения с другими объектами. Возможно, на смену GPS придет более совершенная технология, позволяющая получать сигнал на глубине нескольких километров и не теряющая точности от внешних факторов. Однако точно понятно, что развитие только начинается.
Список используемой литературы
1. Банин, Д. На карту поставлено все / Д. Банин, Р. Китаев // Испытатель. — 2011. — № 3. — С. 21-25.
2. История создания систем спутниковой навигации [Электронный ресурс] / Неизвестный автор // Как работает система GPS. — 2009. — Режим доступа: www.glonax.ru/history-gps.html
3. Козловский, Е. Искусство позиционирования / Е. Козловский // Вокруг света. — М.: 2006. — № 12. — С. 204-280.
4. Сетевые спутниковые радионавигационные / В. Шебшаевич [и др.]. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Радио и связь, 1993. — 408 с.: ил.
Как работает GPS навигация | принцип работы GPS
Как работает GPS навигацияПрактически каждый современный телефон уже имеет встроенный модуль GPS-приемника, с помощью которого имеется возможность достаточно точно определить свое местоположение на планете Земля. Для работы и точного определения местоположения GPS не требуется интернет и вышки мобильных сетей. Система может работать даже посреди пустыни вдалеке от цивилизации. Мы знаем, что это возможно благодаря спутникам, — но как именно это работает?
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. Практически всегда на орбите находится 32 спутника, 24 основных и 8 резервных на случай сбоев.
Поскольку известно, что каждый из спутников делает по два оборота вокруг планеты за сутки, то становиться нетрудно вычислить, что скорость их движения составляет приблизительно 14 000 км/ч. Само расположение спутников, так же как и наклон их орбит, отнюдь не случайно: они расположены так, чтобы из любой открытой точки планеты было видно хотя бы четыре спутника — именно таково минимальное количество, необходимое для определения местоположения объекта на Земле. Почему именно четыре и как это работает?
Чтобы измерить какое-то очень длинное расстояние, мы можем послать сигнал и замерить время, за которое он достигнет нужной точки либо отразится от нее и дойдет до нас снова (главное при этом точно знать скорость движения сигнала). Во втором случае время придется делить на два, поскольку сигнал прошел удвоенное расстояние. Этот способ носит название эхолокация, и спектр его применения весьма широк: начиная от изучения формы морского дна (здесь сигналом выступает ультразвук) и заканчивая радарами (сигнал — электромагнитные волны).
Проблема в том, что при использовании этого способа мы должны заранее знать, где находится приемник. В случае с системой GPS приемником сигнала являетесь именно вы, стоящий на Земле. Спутник не имеет никакого представления о вашем местоположении, он не знает, где вы, и никогда не узнает, поэтому отправляет сигнал сразу на всю поверхность планеты под ним. В этом сигнале он кодирует информацию о том, где расположен сам, а также в какое время по его собственным часам сигнал был отправлен, и на этом его работа заканчивается.
GPS-модуль у вас в руках получил координаты спутника и информацию о времени отправки сигнала. Программа в вашем телефоне умножает скорость распространения сигнала (то есть скорость света) на разницу между временем получения и временем отправки, высчитывая таким образом расстояние до каждого спутника. Если бы часы модуля были в точности синхронизированы с часами всех сателлитов, то понадобилось бы еще два спутника, чтобы определить местоположение с помощью так называемой триангуляции.
Чтобы понять принцип действия триангуляции, давайте на секунду перейдем в двухмерное пространство. Представьте себе две точки на плоскости, расположенные на известном расстоянии друг от друга, допустим 5 метров. Вы также знаете, что какая-то новая точка находится, в свою очередь, на известных расстояниях от первых двух — например 3 и 4 метра соответственно. Чтобы найти эту новую точку, вы можете провести две окружности с радиусами 3 и 4 метра и центрами в первой и второй точках соответственно. Две полученные окружности пересекутся ровно в двух точках, одна из которых и будет искомой.
Вернемся в трехмерное пространство. Теперь нам уже нужны три опорные точки, которыми являются наши спутники, и «чертить» вокруг них мы будем не окружности, а сферы. Все три сферы сразу в общем случае будут иметь две точки пересечения, но одна из них находится «над» местом расположения спутников, очень высоко в космосе — она нам явно не нужна. А вот вторая — это как раз ваше местоположение.
Для измерения местоположения в пространстве необходимо знать точное время и иметь точный инструмент для его измерения.
Реальная задача осложняется тем обстоятельством, что время на часах вашего телефона не совпадает с тем, что показывают часы спутников, и ваши часы являются на несколько порядков менее точными. Вообще говоря, время создает несколько дополнительных сложностей в решении этой проблемы. Так, например, спутники подвержены эффектам релятивистского и гравитационного искажения времени. На самом деле скорость хода часов, согласно теории относительности, зависит в том числе от силы гравитации в той точке, где эти часы расположены, а также от скорости их движения.
На высоте 20 000 километров над Землей гравитация достаточно слаба, а спутники летают, как мы уже разобрались, довольно быстро. Из-за суммы этих эффектов часы приходится корректировать в общей сложности на 38 миллисекунд за сутки. Если кажется, что это мало, напомню, что электромагнитный сигнал, движущийся со скоростью света, пройдет за это время приблизительно 11 000 км — примерно такой и может быть погрешность при определении координат.
Вторая проблема — точность самих часов. При указанных скоростях сигналов каждая миллионная доля секунды, измеренная с погрешностью, может спровоцировать большие ошибки. Из-за этого спутники старого формата позволяют определить местоположение не очень точно и могут «обмануть» на целых 10 метров. Начиная с 2010-го на замену старым запускают новые спутники, оснащенные атомными часами, и их погрешность уменьшилась до 1 метра.
Другой путь решения проблемы — специальные наземные станции коррекции. Они используются на территории некоторых стран и принцип их работы таков: принимая данные о расположении того или иного объекта, они корректируют их, и в результате пользователь гаджета получает более достоверную информацию о собственном местоположении.
Чем больше источников сигнала, тем точнее результат измерения, вот почему в мегаполисе ориентироваться по навигатору будет проще, чем в пустыне.
Однако атомные часы – устройство громоздкое и дорогостоящее, поэтому, чтобы решить проблему времени приемника, нужен еще один спутник. Он тоже передает информацию о своем местоположении и моменте отправки сигнала. И теперь наше пространство становится не трех-, а четырехмерным. Неизвестными являются широта, долгота, высота и время приемника в момент отправки сигналов. Положение в этих четырех измерениях нам и нужно определить, для чего по аналогии с двухмерным и трехмерным пространствами нам нужны именно четыре спутника.
Конечно же, в реальности хорошо, когда удается «поймать» сигнал от большего числа источников, и в крупных городах и населенных районах с этим проблемы нет: можно легко увидеть одновременно десяток сателлитов, которые обеспечат достаточно высокую для бытового использования точность.
Однако начальный поиск спутников тоже не самая простая задача. В старых аппаратах устройству могло потребоваться немало времени, вплоть до нескольких минут, чтобы уловить и разобрать сигнал от нужного числа космических объектов. Тогда это называлось «холодный старт», и для того, чтобы ускорить процесс, придумали получать данные о текущем местоположении небесных тел из интернета. Но при перемещении приемника на большое расстояние (десятки километров) или при очень долгом бездействии «холодный старт» приходилось производить заново. В современных устройствах модуль периодически включается сам, обновляя информацию, поэтому подобной проблемы больше нет.
Кстати говоря, до 2000 года точность для гражданских лиц была искусственно занижена, и узнать свое местоположение позволялось не ближе, чем в 100 метрах от реального. Поскольку GPS создавалась, финансируется и поддерживается министерством обороны США, военные хотели иметь определенное преимущество. С развитием и все более активным внедрением технологии в жизнь гражданского населения это искусственное ограничение было убрано.
Спутник не получает данных ни о каких GPS-устройствах на поверхности Земли и в воздушном пространстве, поэтому услуга бесплатная. Мы просто не сможем узнать, кто конкретно ей пользуется. Выходит, рецепт решения общечеловеческой проблемы под кодовым названием «А где я нахожусь?» чрезвычайно прост: односторонняя связь и нехитрые математические расчеты.
Сегодня область применения системы глобального позиционирования GPS достаточно обширна. Всё чаще GPS-приемники встраивают в мобильные телефоны и коммуникаторы, в автомобили, часы и даже в собачьи ошейники. Люди привыкают к такому благу как GPS навигация, и пройдет совсем немного времени как они уже не смогут обойтись без нее. Именно поэтому стоит сказать пару слов о недостатках GPS.
Недостатками GPS навигации является то, что при определенных условиях сигнал может не доходить до GPS-приемника, поэтому практически невозможно определить свое точное местонахождение в глубине квартиры внутри железобетонного здания, в подвале или в тоннеле.
Рабочая частота GPS находится в дециметровом диапазоне радиоволн, поэтому уровень приема 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 приему сигналов GPS.
Карты, предназначенные для GPS навигации, быстро устаревают и могут быть не точными, поэтому нужно верить не только данным GPS-приемника, 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. Прецеденты уже были.
У системы GPS есть менее популярная и известная альтернатива в виде навигационных систем ГЛОНАСС (Россия) и Galileo (ЕС), и каждая из этих систем стремится получить широкое распространение.
GPS – История, применение, преимущества и недостатки спутниковой системы
Понятие GPS (полное название — Global Positioning System) определяют по-разному, но смысл эти определения имеют один и тот же. GPS-ом называют спутниковую систему навигации (навигационные спутники), которая способствует обеспечению измерений расстояния и времени. Это система мониторинга, позволяющая практически при любой погоде в любом месте (даже в космическом пространстве поблизости планеты) определить скорость движения объектов и местоположение. Данную систему разработало и реализовало Министерство обороны США. Сегодня она применяется повсеместно.
Основным принципом применения системы является определение местоположения за счет измерения расстояния от спутников с уже известными координатами до определенного объекта. Расстояние обычно вычисляют по тому времени, на которое задерживается распространение сигнала от его посылки спутником вплоть до приема антенной приемника GPS. Из этого следует вывод: для того, чтобы GPS-приемник определил значение трехмерных координат, ему необходимо знать время системы, а также расстояние до этих трех спутников. Поэтому, чтобы определить высоту и координаты приемника, используют сигналы, подаваемые с четырех спутников.
Историческая сводка
В 50-е годы прошлого века возникла идея создания спутниковой системы. Это были как раз те времена, когда в СССР был запущен в космос первый искусственный спутник. В это время в США американские ученые под кураторством Ричарда Кершнера наблюдали за сигналом данного спутника и обнаружили интересное явление: при приближении спутника к Земле увеличивается частота принимаемого сигнала, а при отдалении наоборот – уменьшается, что происходит благодаря эффекту Доплера. Смысл открытия состоит в том, что, зная свои координаты на планете, можно легко определить скорость и положение спутника и наоборот — если знать положение спутника, то можно вычислить свои координаты и скорость движения. После этого и возникла задача по созданию прототипа навигатора.
Данная идея была реализована лишь спустя 20 лет. Программа DNSS была разработана в 1973 году, немного позже она была переименована в Navstar-GPS, а после получила привычное для нас название GPS. В середине лета 1974 года был выведен на орбиту самый первый тестовый спутник. Последний, 24-й спутник, который закрывал покрытие земной поверхности, запустили на орбиту в 1993 году. Именно тогда GPS-система и была глобально взята на вооружение. В это время появляется возможность использования GPS для того, чтобы запускать ракеты непосредственно на неподвижные объекты, позже начали наводить ракеты и на подвижные объекты не только на земле, но и в воздухе.
Вначале глобальная система позиционирования GPS разрабатывалась для применения в чисто военных целях. Но после инцидента, когда в 1983 году самолет Корейских Авиалиний, на борту которого находились пассажиры, при вторжении в советское воздушное пространство был сбит, тогдашний президент Америки Рональд Рейган позволил частично применять системы навигации также и в гражданских целях. Но при этом американские ученые уменьшили при помощи специального алгоритма точность, чтобы не допустить использования данной системы в военных целях.
После этого появилась информация о том, что некоторыми компания был все-таки расшифрован алгоритм, который уменьшал точность на частоте L1. Поэтому в 2000 году указом президента США было отменено уменьшение точности навигационной системы.
Основа системы, ее ядро, — это спутники, которые движутся по шести круговым траекториям орбиты Земли, высота которых достигает 20180 км. Спутники позволяют улавливать сигналы в таких диапазонах: L2=1227,60 МГц, а также L1=1575,42 МГц, модель IIF может излучать на L5=1176,45 МГц. Навигационные данные принимаются антенной, что происходит в условиях видимости спутников, и обрабатываются посредством приемника GPS.
Без учета ограничений на использование распространяется сигнал, имеющий стандартный код точности (модуляция BPSK(1) — C/A код), который передается в диапазоне L1, а с аппаратов IIR-M – в диапазоне L2. На L1 вначале использовалось загрубение сигнала искусственным путем, но было отключено в мае 2000 года. Тем не менее, методы искусственного загрубения остались окончательно в прошлом в 2007 году. Вскоре планируется запуск аппаратов Блок III с новым сигналом L1C, действующим в диапазоне L1. Этот сигнал будет иметь несколько улучшенную возможность прослеживать путь, обратную совместимость, а также будет совместим в большей степени с сигналами Galileo L1.
Военные пользователи получают дополнительный доступ к сигналам, действующим в диапазонах L1/L2, которые модулируются посредством криптоустойчивого кода P(Y) (модуляция BPSK(10)). С введением в использование устройств IIR-M применяется и новый М-код, в котором применима модуляция ВОС (15,10). Использование данного кода способствует обеспечению функциональной системы, действующей в рамках концепции навигационной войны (Navwar). Передача М-кода осуществляется на частотах L1 и L2. Этот сигнал отличается повышенной устойчивостью к различным помехам, поэтому его хватает для измерения точных координат. M-код имеет еще одну особенность, заключающуюся в возможности передачи для определенной области, диаметр которой достигает несколько сотен километров, при этом мощность сигнала равна свыше 20 дБ. В спутниках IIR-M сигнал M уже доступен, однако при необходимости узконаправленного сигнала необходимо обращаться к помощи спутников GPS-III.
После того, как был запущен блок IIF, была введена частота L5 (1176.45 МГц). Данный сигнал получил название Safety Of Life (переводится как «охрана жизни человека»). L5 на 3 дБ мощнее, нежели гражданский сигнал, а его полоса пропускания шире в 10 раз. Этот сигнал предназначен для применения в критических ситуациях, которые связаны непосредственно с угрозой для жизни людей. Полноценное его использование будет доступно после 2014 года.
Благодаря нахождению на орбите 24-х спутников обеспечивается стопроцентная работоспособность всей системы, причем независимо от положения точки на земном шаре. Однако и они не всегда способны обеспечивать приемлемый расчет позиций и уверенный прием. В связи с этим на случаи сбоев и для того, чтобы увеличить точность позиционирования, на орбите поддерживается несколько большее число спутников.
Наземные станции контроля
Главная контрольная станция находится на авиабазе ВВС Соединенных Штатов. С нее, а также еще с 10 станций осуществляется слежение за группой спутников на орбите. На трех станциях есть возможность посылать радиосигналы частотой 2000-4000 МГц, в которых содержится корректировочная информация. Самые передовые спутники способны распределять среди остальных спутников полученные данные.
Использование GPS
Как уже говорилось, GPS был разработан сугубо для военных целей, но сегодня GPS распространен во всем мире и применяется в гражданских целях. GPS-приемники можно найти в продаже практически во всех магазинах, которые специализируются на продаже электроники. Они встраиваются в смартфоны, онбордеры, мобильные телефоны, КПК. Потребители без проблем могут приобретать программы и устройства, которые позволяют на электронной карте видеть свое местоположение и способствуют прокладыванию маршрутов, учитывая дорожные знаки, пробки и разрешенные повороты. Кроме того, при помощи такого приемника можно найти конкретные улицы и дома, кафе, различные достопримечательности, а также автозаправки и больницы.
Помимо этого, GPS применяется для следующих целей:
- Спутниковый мониторинг транспортных средств: при помощи GPS можно отслеживать скорость автомобилей, контролировать их движение.
- Геодезия: GPS позволяет определить точные границы земельных участков и координаты.
- Картография: GPS применяется в военной и гражданской картографии.
- Мобильная связь: в 90-х годах появились первые телефоны со встроенным GPS. Некоторые страны применяют эту услугу для определения местонахождения человека, который позвонил 911.
- Навигация: морская и дорожная.
- Тектоника плит: GPS позволяет вести наблюдение колебания и движения тектонических плит.
- Геотегинг: за счет внешних и встроенных GPS-приемников информация привязывается к координатам.
- Активный отдых: GPS применяется в различных приложениях.
Точность GPS-приемников
Нормальная точность GPS-приемников равна примерно 6-8 метрам при наличии параметров хорошей видимости спутников и применении коррекционных алгоритмов. Станции WAAS, расположенные на территории Канады и США, передают поправки для режима, что способствует снижению погрешности на территории данных стран на 1-2 метра. Точность координат достигает 10 см, если использовать дифференциальные режимы более сложного уровня.
Недостатки системы GPS
Самым явным недостатком использования любой такой системы является то, что до приемника при определенных условиях сигнал может и не доходить либо приходить, но со значительными задержками или искажениями. Так, в глубине квартиры, находящейся в железобетонном здании, тоннеле или подвале, определить точное местонахождение практически невозможно.
Большая облачность и плотная листва деревьев также могут ухудшать прием сигнала со спутников. Сигнал GPS могут также исказить помехи, возникающие в результате магнитных бурь, или помехи от наземных источников радиосигнала. В приполярных районах Земли точность ухудшает невысокое наклонение орбит, по которым движутся спутники. Также особенность GPS в том, что эта система находится в полной зависимости от условий предоставления сигнала министерством обороны Соединенных Штатов.
Сейчас удалось реализовать полное обновление GPS-системы, хотя в планах этот проект был достаточно давно. Старые спутники в процессе обновления планируется заменить на новые, разработанные компаниями Boeing и Lockheed Martin. Считается, что эти спутники предоставляют точное позиционирование с погрешностью лишь 0,5 метра. На реализацию данной программы потребуется некоторое время.
Министерство обороны США указывает на то, что полное завершение обновления данной системы возможно только спустя 10 лет. При этом количество спутников останется прежним – 30, из которых 6 резервных и 24 рабочих.
Хронология событий
Разрешение о производстве спутниковой системы навигации – 1973 год.
Испытание системы – 1974-1979 года.
Прием сигнала от станции – 1977 год.
Запуск первой группы спутников (11 штук) – 1978-1985.
Решение о запуске 18 спутников ввиду сокращения финансирования системы – 1979 год.
Возложение на спутники GPS-функции отслеживания ядерных взрывов. Спутники начинают оснащаться сенсорами обнаружения ядерных взрывов – 1980 год.
Последующее сокращение финансирования системы – 1980-1982.
После того, как самолет компании Korean Airline был сбит на территории Советского Союза, власти США решают предоставить сигнал гражданским службам – 1983 год.
Гибель космического челна Space Shuttle «Challenger» притормозила совершенствование программы, поскольку челнок должен был выйти на орбиту в составе второй группы спутников – 1986 год. После этого основным транспортом служила «Дельта» — ракета-носитель.
Принято решение о выпуске на орбиту 24 спутников, поскольку 18 спутников не способны обеспечить бесперебойную работу системы – 1988 год.
Спутники второй группы активированы – 1989 год.
Война в Персидском заливе, а также нехватка военных приемников поспособствовала временному отключению SA (selective availability – определение местоположение вплоть до 100 метров, создаваемая искусственным путем) – 1990-1991 года.
Передано сообщение о первичной готовности программы. Окончательно принято решение о предоставлении сигнала частным лицам и гражданским службам для бесплатного пользования – 1993 год.
Укомплектование спутниковой группировки – 1994 год.
Система приведена в полную готовность (Full Operational Capability) – середина 1995 года.
Для гражданских пользователей отключили SA, благодаря чему возросла точность определения со 100 до 20 метров – 2000 год.
Подписано совместное заявление по обеспечению совместимости и взаимодополняемости GPS 1 и Galileo – 2004 год.
Произошел запуск спутника GPS-IIR-14 с ракетой на борту Delta 7925, отправная точка – мыс Канаверал, США – 2005 год.
Начались российско-американские переговоры относительно сотрудничества по обеспечению взаимного дополнения навигационных космических систем GPS и ГЛОНАСС – 2006 год.
Навигационная система GPS – что это такое и как применить на практике?
Навигационная система GPS – что это такое и как применить на практике?
Навигационная система GPS для мониторинга транспорта и контроля над расходом топлива: принцип работы и возможности технологии, области применения, достоинства и недостатки.
GPS – это глобальная система определения координат объекта. Ее работу обеспечивают 24 спутника, запущенные на орбиту Минобороны США, а также наземные клиентские устройства (терминалы, датчики, маячки), объединенные в единую сеть.
Кратко об истории GPS
GPS-навигация разрабатывалась для решения военно-стратегических задач. Первые приборы и устройства были несовершенными и выдавали высокую погрешность при определении местоположения объекта. Они часто выходили из строя и передавали сигнал один раз в 2 часа. Постепенно технология развивалась, и в 2000 году GPS-мониторинг стал открытым и доступным для гражданских пользователей.
Принцип работы системы GPS
Спутники вращаются вокруг Земли и передают сигналы на приемник GPS. На основе специального алгоритма устройства вычисляют местоположение объекта, на котором они установлены, сравнивая время передачи и приема этого сигнала. Если известны координаты, определяются скорость и направление движения, пройденное расстояние и другие параметры. Для точных вычислений необходима связь, как минимум, с тремя космическими аппаратами.
Функциональность
Навигационная система GPS также используется для:
-
Организации мобильной связи и создания приложений для отдыха и туризма;
-
Наблюдений за колебаниями и перемещениями тектонических плит;
-
Определения местоположения человека, позвонившего в службу спасения;
-
Обозначения границ земельных участков;
-
Разработки военных и гражданских карт.
Плюсы и минусы системы
Навигационная система GPS проста для конечного пользователя: ему не нужно прибегать к помощи эксперта, чтобы установить ее и разобраться с функциями. Приемники стоят недорого, поэтому доступны практически для всех. Технология имеет глобальный охват, покрывая весь земной шар, исключение составляют лишь полюса. Плюс к этому, она позволяет получать высокоточные данные, и качество ее работы не зависит от погодных условий.
Среди недостатков системы стоит отметить возможные сбои и неполадки, которые могут возникать из-за специфики рельефа и преград на пути следования.
Применение джипиэс
GPS многофункциональна и универсальна. Она находит применение в разных областях современной жизни.
Мониторинг транспорта
Навигационная система позволяет составлять карты пробок, что было бы непозволительной роскошью при использовании летательных аппаратов. С ее помощью отслеживают перемещение автомобильного, морского, воздушного и железнодорожного транспорта в онлайн-режиме.
Контроль уровня топлива
Система умеет фиксировать количество топлива, залитого в бак. Это актуально для руководителей автопарков: так предотвращаются махинации с чеками и несанкционированный слив.
Прокладывание маршрута
GPS-навигация помогает определить местоположение и намечать маршруты следования до нужного адреса.
Составление карт
При помощи GPS составляют планы местности независимо от особенностей рельефа. Такие карты используются и в туризме, и при разработке военных стратегий.
Навигационная система GPS – это не узкоспециализированная технология, доступная ученым и военным. Она используется в жизни обычных людей, а также на производстве и в бизнесе.