Сегодня мы поговорим о том, что такое GPS, как работает эта система. Уделим внимание развитию данной технологии, ее функциональным особенностям. Также обсудим, какую роль в работе системы играют интерактивные карты.

История появления GPS

История появления глобальной системы позиционирования, или определения координат, началась в США еще в далеких 50-х годах при запуске первого советского спутника в космос. Бригада американских ученых, следивших за запуском, заметила, что при отдалении спутник равномерно меняет свою частоту сигнала. После глубокого анализа данных они пришли к выводу, что при помощи спутника, если говорить более подробно, то его расположения и издаваемого сигнала, можно точно определить нахождение и скорость передвижения человека на земле, как и наоборот, скорость и нахождение спутника на орбите при определении точных координат человека. К концу семидесятых годов Минобороны США запустило систему GPS в своих целях, а еще через несколько лет она стала доступна для гражданского применения. Система GPS как работает сейчас? Точно так, как и работала в то время, по тем же принципам и основам.

Сеть спутников

Более двадцати четырех спутников, находящихся на околоземной орбите, передают радиосигналы привязки. Количество спутников варьируется, но на орбите всегда находится нужное их число для обеспечения бесперебойной работы, плюс некоторые из них есть в запасе, чтобы в случае поломки первых принять их функции на себя. Так как срок службы каждого из них приблизительно около 10 лет, производится запуск новых, модернизированных версий. Вращение спутников происходит по шести орбитам вокруг Земли на высоте менее 20 тысяч км, оно образует взаимосвязанную сеть, которой управляют станции GPS. Находятся последние на тропических островах и связаны с основным координационным центром в США.

Как работает GPS-навигатор?

Благодаря этой сети можно узнать местонахождение при помощи вычисления задержки прохождения сигнала от спутников, и при помощи этой информации определить координаты. Система GPS как работает сейчас? Как и любая сеть навигации в пространстве - она совершенно бесплатна. Она с высокой эффективностью работает при любых погодных условиях и в любое время суток. Единственная покупка, которая должна у вас быть, это сам GPS-навигатор или устройство, которое поддерживает функции GPS. Собственно, принцип работы навигатора строится на давно используемой простой схеме навигации: если точно знаете место, где находится маркерный объект, наиболее подходящий на роль ориентира, и расстояние от него до вас, нарисуйте окружность, на которой точкой обозначьте ваше месторасположение. Если радиус окружности велик, то замените ее прямой линией. Проведите несколько таких полос от возможного вашего расположения в сторону маркеров, точка пересечения прямых обозначит ваши координаты на карте. Вышеупомянутые спутники в таком случае как раз и играют роль этих маркерных объектов с расстоянием от вашего месторасположения около 18 тысяч км. Хотя вращение их по орбите и происходит с огромной скоростью, местоположение постоянно отслеживается. В каждом навигаторе установлен GPS-приемник, который запрограммирован на нужную частоту и находится в прямом взаимодействии со спутником. В каждом радиосигнале содержится определенное количество закодированной информации, которая включает в себя ведомости о техническом состоянии спутника, местонахождении его на орбите Земли и часовом поясе (точное время). К слову, информация о точном времени и является наиболее нужной для получения данных о ваших координатах: происходящее вычисление отрезка времени между отдачей и приемом радиосигнала умножается на скорость самой радиоволны и путем недолговременных подсчетов рассчитывается расстояние между вашим навигационным прибором и спутником на орбите.

Сложности синхронизации

Исходя из этого принципа навигации, можно предположить, что для точного определения ваших координат могут понадобиться всего два спутника, на основе сигналов которых легко будет найти точку пересечения, и в итоге — место, где вы находитесь. Но, к сожалению, технические причины требуют применения еще одного спутника как маркера. Главная проблема заключается в часах GPS-приемника, что не позволяет провести достаточную синхронизацию со спутниками. Причиной этому является разница в отображении времени (на вашем навигаторе и в космосе). На спутниках присутствуют дорогие высококачественные часы на атомной основе, что позволяет им вести подсчет времени с предельной точностью, тогда как на обычных приемниках такие хронометры применить попросту невозможно, так как габариты, стоимость, сложность в эксплуатации не позволили бы применять их повсюду. Даже малая ошибка в 0.001 секунды может сместить координаты более чем на 200 км в сторону!

Третий маркер

Так что разработчики решили оставить обычную технологию кварцевых часов в GPS-навигаторах и пойти по другому пути, если говорить точнее - использовать вместо двух ориентиров-спутников — три, соответственно, столько же линий для последующего пересечения. Решение проблемы строится на гениально простом выходе: при пересечении всех линий с трех обозначенных маркеров, даже при возможных неточностях, создается зона в форме треугольника, за центр которого берется его середина - ваше расположение. Также это позволяет выявить отличие во времени приемника и всех трех спутников (для которых отличие будет одинаковым), что позволяет скорректировать пересечение линий ровно в центре, проще говоря — это определяет ваши координаты GPS.

Одна частота

Следует также заметить, что все спутники посылают на ваше устройство информацию на одной частоте, и это довольно необычно. Как работает GPS-навигатор и как воспринимает всю информацию корректно, если все спутники беспрерывно и одновременно посылают на него информацию? Все довольно-таки просто. Передатчики на спутнике для определения себя посылают в радиосигнале еще и стандартную информацию, в которой находится зашифрованный код. Он сообщает максимум характеристик спутника и заносится в базу данных вашего устройства, что потом позволяет сверять данные со спутника с базой данных навигатора. Даже при большом количестве спутников в зоне досягаемости очень быстро и легко их можно определить. Все это упрощает всю схему и позволяет использовать в GPS-навигаторах меньшие по размеру и более слабые антенны приема, что удешевляет и уменьшает дизайн и габариты устройств.

GPS-карты

Карты GPS загружаются на ваше устройство отдельно, так как вы сами влияете на выбор местности, по которой хотите передвигаться. Система всего лишь устанавливает ваши координаты на планете, а уже функцией карт является воссоздание на экране графической версии, на которую наносятся координаты, что и позволяет вам ориентироваться на местности. GPS как работает в данном случае? Бесплатно, это так и продолжает оставаться в таком статусе, карты в некоторых интернет-магазинах (и не только) все же платные. Зачастую для прибора с GPS-навигатором создаются отдельные приложения для работы с картами: как платные, так и бесплатные. Разновидность карт приятно удивляет и позволяет настроить дорогу из точки A в точку Б максимально информативно и со всеми удобствами: какие достопримечательности вы будете проезжать, кратчайший путь до пункта назначения, голосовой помощник, указывающий направление и другие.

Дополнительное GPS-оборудование

Применяется система GPS не только для указания вам нужного пути. Она позволяет производить слежку за объектом, на котором может находиться так называемый маячок, или GPS-трекер. Состоит он из самого приемника сигналов и передатчика на основе gsm, 3gp или иных протоколов связи для передачи информации о расположении объекта в сервисные центры, осуществляющие контроль. Применяются они во многих отраслях: охранной, медицинской, страховой, транспортной и многих других. Также существуют автомобильные трекеры, которые подключаются исключительно к автомобилю.

Путешествия без проблем

С каждым днем значения карты и бессменного компаса уходят все дальше в прошлое. Современные технологии позволяют человеку проложить дорогу для своего странствия с минимальными потерями времени, усилий и средств, при этом увидеть наиболее захватывающие и интересные места. То, что было фантастикой около столетия назад, сегодня стало реальностью, и воспользоваться этим может практически каждый: от военных, моряков и пилотов самолетов до туристов и курьеров. Сейчас большую популярность набирает и использование этих систем для коммерческой, развлекательной, рекламной отраслей, где каждый предприниматель может указать себя на глобальной карте мира, и его будет совсем нетрудно найти. Надеемся, что эта статья помогла всем, кто интересуется тем, GPS - как работает, по какому принципу происходит определение координат, какие его сильные и слабые стороны.

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

• 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.

Ключевые параметры навигационных приемников

1. Сигналы от спутников
2. Альманах - информация о приблизительных параметрах орбит всех спутников, а также данные для калибровки часов и характеристики ионосферы
3. Эфемериды - точные параметров орбит и часов каждого спутника

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 EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay System), доступная в Европе, шлют корректирующие данные с геостационарных спутников, таким образом достигается бо льшая область приема, чем при наземных методах.

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

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

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.

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.

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.

27 мая 2008, Богомазов Алексей 1

Глобальная система позиционирования (Global Positioning System) или сокращенно GPS является единственной в мире полнофункциональной спутниковой системой навигации. Более 25 специализированных спутников постоянно посылают точные (в первую очередь по времени) радиосигналы, которые улавливаются GPS-приемниками по всему миру. Это вещание позволяет приемникам (ресиверам) точно определять свое месторасположение (долготу, широту, положение над уровнем моря) в любую погоду, в любое время суток, в любой точке земного шара.

К данному моменту GPS уже стала жизненно необходимой системой, она является неотъемлемой частью современной навигации на земле, в море, в воздухе, кроме того, это важный инструмент для составления карт, а также наблюдения за изменением ландшафта земной поверхности. Эта система вносит определенный вклад в такие, казалось бы, сторонние отрасли как телекоммуникации и разного рода научные исследования (к примеру, исследование природы землетрясений).

Система GPS была разработана министерством обороны США, контролируется им же. Несмотря на то, что содержание данной системы обходится примерно в $400 000 000 в год (если считать старение спутников), простые смертные могут свободно использовать ее для своих скромных нужд.

В конце 2005 года к уже запущенным спутникам был добавлен еще один спутник следующего поколения. Этот спутник обладал рядом дополнительных возможностей, одной из которых является поддержка второго гражданского GPS-сигнала, который именуется L2C и предназначен для повышения точности и надежности работы системы в целом. В ближайшие годы планируется запускать все больше модернизированных спутников, в перспективе они должны добавить третий и четвертый сигналы, а кроме того, кучу новых возможностей, которые будут использоваться исключительно военными (кто бы сомневался).

В августе 2000 года стала общедоступна The Wide-Area Augmentation System (WAAS), а если по-человечески - система панорамного обзора, которая позволила определять местоположение портативного GPS-приемника с точностью до двух метров. Два метра, конечно, неплохо, но можно добиться точности и в один сантиметр, если использовать Differential GPS (DGPS).

Сферы использования GPS

Наверно, многие слышали о GPS , многие пользуются им ежедневно. Однако для подавляющего большинства людей это остается лишь технологией, позволяющей определить их местоположение на поверхности Земли. На самом деле, это немного не так, используется сия технология в самых разнообразных сферах человеческой деятельности.

Нужно сказать, что без точной временной синхронизации моментально возрастет уровень ошибок при передаче информации, а в некоторых случаях передача станет невозможна. Это связано с нюансами реализации оборудования. К примеру, при определенной реализации передачи в обыкновенных локальных сетях, сетевые карты должны синхронизироваться чуть ли не после передачи каждого байта. Это конечно совершенно отдаленный пример, но представьте, какой уровень синхронизации должен быть в гораздо более серьезных промышленных и научных установках.

Атомные часы на спутниках отсчитывают "GPS time ". Это время измеряется в днях, часах, минутах, секундах, ну и так далее. В общем все также как в земном времени, которое базируется на вращении Земли. Основным отличием является то, что GPS-время абсолютно не зависит от вращения Земли. GPS-день составляет 86400 секунд в СИ (кстати, СИ , это не система измерений, это система интернациональная , вроде пустяк, а знают не все), что является стандартом International Atomic Time (TAI) (Международное атомное время).

В 1980 году GPS-время было приравнено к Coordinated Universal Time (UTC) (универсальное синхронизированное время (среднее время по Гринвичу)). Таким образом, GPS-часы начали тикать 6 января 1980 года в 00:00:00 UTC (00:00:19 TAI), а разница в 19 секунд набежала из-за малопонятных "leap seconds". Но это мы уже уходим в дебри специальных дисциплин, так что если кому интересно - дерзайте, заодно и теорию относительности подучите, она тут на каждом шагу встречается.

• Геофизика и геология . Высокоточные измерения напряжение различных слоев земли могут быть сделаны с помощью GPS. Вначале давайте разберемся с напряжением, это никак не связано с батарейками, здесь это скорее деформация и смещение горных пород под действием каких-либо сил. Для измерения этой величины достаточно взять 2 GPS-приемника, один из которых должен быть неподвижным (насколько это возможно), тогда легко определить смещение второго приемника относительно первого, что и будет искомой величиной. Эта технология находит применения в наблюдении за вулканами, и позволяет заранее предсказать причину и форму будущих изменений окружающего ландшафта.

История развития GPS

Разработка GPS частично основана на аналогичных наземных системах радио-навигации таких как LORAN (была разработана в начале 1940-х и использовалась в ходе Второй Мировой). Дополнительным толчком к развитию этой системы явился запуск первого искусственного спутника в СССР в 1957 году. Команда американских ученых во главе с Dr. Richard B. Kershner проводила наблюдение за передачей радио сигналов со спутника. Они заметили одну интересную закономерность. В соответствии с эффектом Доплера, частота радиосигнала, посланного спутником, уменьшается с увеличением расстояния от спутника (чем больше прошел сигнал, тем ниже его частота). Скоро пришло понимание, что, зная свое точное положение на земном шарике, а также частоту сигналов, посылаемых спутником, они с высокой точностью могут определить местоположение спутника на земной орбите (в соответствии с расчетами того же Доплера). Нетрудно понять, что обратное утверждение также верно, зная расположение спутника и частоту сигнала, можно определить свое месторасположение на Земле.

Первая спутниковая навигационная система Transit (использовалась военно-морскими силами США) была успешно испытана в 1960 году. В этой системе использовалось 5 спутников, и она позволяла производить навигационные корректировки приблизительно каждый час. В 1967 году морское ведомство США разработало новый спутник - Timation, который предоставил возможность разместить у себя на борту, а фактически вывести на орбиту, точные часы (технология, на которую опирается GPS). В 1970-х наземная навигационная система Omega Navigation System стала первой радио навигационной системой, охватывающей весь земной шар. Эта система основывалась на сравнении фаз сигналов.

Первый экспериментальный Block-I GPS-спутник был запущен в феврале 1978 года. ПервыеGPS-спутники производились Rockwell International, а сейчас производятся Lockheed Martin. После событий 1983 года, когда система противовоздушной обороны СССР сбила пассажирский авиалайнер KAL 007 в своем воздушном пространстве (лайнер попал в воздушное пространство СССР по ошибке), убив всех, кто находился на борту (всего 269 человек), президент США Рональд Рейган заявил, что GPS может стать доступна гражданским лицам сразу после завершения ее строительства. К 1985 году на орбиту было запущено еще 10 Block-I спутников. Первый современный Block-II спутник был запущен 14 февраля 1989 года . К декабрю 1993 года количество спутников было доведено до количества, при котором система уже могла функционировать, а к 17 января 1994 года все 24 спутника были на орбите.

В 1996 году президент США Билл Клинтон в полной мере осознал важность GPS не только для военных нужд, но также и для гражданского использования. После этого выходит директива, устанавливающая статус GPS как двойственной системы (и для военных и для гражданских). В 1998 году вице-президент США Эл Гор объявляет о намерениях добавить в GPS еще два гражданских сигнала для повышения точности и надежности работы системы, а также для обеспечения более высокого уровня безопасности полетов.

Последний запуск спутника был произведен в сентябре 2005 года , в то время как дата запуска самого старого GPS-спутника, функционирующего сейчас, - февраль 1989 года .

GPS-cпутники

Система GPS использует спутники, расположенные определенным образом, а точнее на Intermediate circular orbit (ICO) . Это орбиты, заключенные между околоземной орбитой (1400 км) и геосинхронной орбитой (35790 км). Кроме того, на орбите постоянной присутствуют три незадействованных спутника на случай непредвиденных ситуаций и всевозможных неисправностей и ошибок. Каждый спутник облетает Землю ровно два раза в сутки на высоте 20200 км. Орбиты расположены таким образом, что в любой момент времени практически любая точка земной поверхности находится в покрытии сразу четырех спутников. В каждой из шести орбитальных плоскостей находится шесть активных спутников. Орбита каждого спутника отклонена на 55 градусов от плоскости экватора.

Положение спутников контролируется пятью наземными станциями, расположенными по всему миру (Hawaii, Kwajalein, Ascension Island, Diego Garcia, Colorado Springs). Кроме того, существует одна главная станция (авиабаза Фалькон в шт. Колорадо), которая и передает всю информацию на спутники через второстепенные станции слежения. В этой информации обычно содержится регулировка времени с точность до одной микросекунды.

Каждый спутник регулярно передает во внешний мир время, в соответствии со своими атомными часами и другую информацию в цифровом виде. Обычно спутники передают свое точное положение на орбите и приблизительное положение всех остальных действующих GPS-спутников. Казалось бы, зачем передавать информации о нахождении остальных спутников, однако наземные приемники выбирают самый сильный полученный сигнал, а потом, по полученной информации пытаются поймать менее сильные сигналы других спутников.

GPS-приемники

Основным назначение GPS-приемника является определение своего местоположения на поверхности Земли. Это положение однозначно определяется с помощью трех параметров - географической широты и долготы, а также положения над уровнем моря. Кроме того, приемник должен определять точное время, не в смысле который сейчас час, а в смысле точной синхронизации со спутником. Все эти параметры определяются с помощью процесса трилатерации . Если в двух слов, то трилатерация заключается в нахождении положения объекта с помощью как минимум четырех точек с известными координатами и известными расстояниями от каждой точки до объекта. Вообще говоря, находят они не расстояние, а псевдодальность (pseudorange ), что является первым приближением расстояния.

Итак, спутники посылают сигнал, в котором зашифрованы их собственные координаты и время, когда сигнал был отправлен. Получив сигнал, приемник расшифровывает его, высчитывает орбиту каждого из спутников, а затем находит расстояние до этих спутников. Расчет расстояния производится учитывая задержку между временем, когда сигнал был отправлен и когда был получен. Таким образом, зная время, за которое пришел сигнал, легко найти и расстояние, умножив его на скорость сигнала.

Процесс точного определения задержки, пожалуй, самый трудоемкий. Каждый спутник периодически посылает 1023 бита псевдо произвольной последовательности (pseudo random sequence ), это последовательность, которая обладает лишь некоторыми свойствами произвольной. У каждого спутника такая последовательность своя, что позволяет им делить одни и те же радиочастоты с помощью параллельного доступа с кодовым разделением (Code division multiple access ). Приемник генерирует последовательности, которые посылает каждый из спутников и сравнивает с полученными, таким образом, приемник может легко распознать каждый из спутников.

Вернемся к вопросу трилатерации. Приемник уже определил 4 положения спутников и 4 расстояния до них. Теперь представьте 4 сферы с центрами в местах, где находятся спутники и радиусами равными расстояниям до спутников. Вообще говоря, исходя из школьной стереометрии, возможны 3 варианта: 2 точки пересечения, одна точка пересечения и никаких точек пересечения. По очевидным причинам точкой пересечения является местонахождения приемника. Две точки возможны если все спутники находятся в одной плоскости, что не всегда возможно (3 спутника всегда лежат в одной плоскости). Этот вариант в принципе тоже приемлем, так как одна точка находится где-то на Земле, а вторая симметрична относительно плоскости, в которой лежат спутники, а точнее где-то в космосе. Выбрать нужную достаточно просто. Если же точка пересечения одна, то она и является искомой.

При работе реальных приемников все несколько сложнее, виной этому несколько вполне определенных причин. Стоимость GPS-приемника начинается с $90 , а стоимость атомных часов примерно равна стоимости нескольких десятков произведений немецкого автопрома, а 50 мерседесов стоят явно дороже 50 баксов. Таким образом, расстояние высчитать не так то просто. К счастью, достаточно точные обыкновенные часы, которые к великой радости, могут дать достаточно точное сравнение для времени сигнала. В результате этого возникает погрешность определения географического положения, к счастью небольшая (сферы пересекаются около одной точки).

Немного выше, когда я рассказывал о вычислении расстояния, я не зря проехал мимо скорости сигнала, это одна из самых больших проблем GPS. Если Вы решали школьные задачи по физике, то там эта скорость считается равной скорости света в вакууме, что, вообще говоря, не верно, в воздухе свет движется медленнее, другое дело, что отношение этих скоростей равно единице и первая цифра после нуля где-то достаточно далеко. Однако, при вычислении точного положения, эти цифры вносят значительный вклад. Самое страшное, что скорость сигнала в ионосфере (проблема в основном здесь) меняется практически непредсказуемо, и чем толще слой, через который должен пройти сигнал, тем больше может быть ошибка. Если спутник висит прямо над приемником, то ошибка минимальна. Если же нет, то ошибка растет вместе с углом отклонения спутника к горизонту. Для исправления этой ошибки, определяется сначала приблизительное положение приемника, а затем строится математическая модель и, исходя из нее, устраняется погрешность.

Изменение скорости радиосигнала в ионосфере зависит от его частоты, поэтому вторую частоту L2 (об этом ниже) для устранения этой ошибки. Некоторые военные и дорогие гражданские (обычно используемые для мониторинга) приемники могут сравнивать частоты L1 и L2 , рассчитывать задержку сигнала в атмосфере и производить точную корректировку.

GPS-сигналы подвергаются рассеянию и отражению на окружающей поверхности - здания, рельеф местности, плотные виды почвы и т.д. Это причина возникновения еще одной ошибки. Множество методик приема призвано уменьшить эту ошибку (в частности Narrow Correlator spacing - достаточно специфический вопрос, я так понимаю, сравнивают полученную функцию с тем, что должно быть с достаточно жесткими условиями). Если же сигнал заблудился и долго где-то путешествовал, то приемник сам способен распознать это и проигнорировать такой сигнал. Если же сигнал только отразился, например, от земной поверхности, отфильтровать его гораздо сложнее (используются специальные антенны). Это связано с тем, что такие погрешности малозаметны при сравнении с основным сигналом и очень похожи на искажения, вызванные обычными движениями воздушных масс.

Многие GPS-приемники могут передавать информацию ПК или другим приборам, используя NMEA 0183 протокол. NMEA 2000 - более новый, однако менее распространенный протокол.

Частоты GPS

Итак, рассмотрим несколько частот, которые присутствуют в спектре электромагнитных волн (радиоволн) GPS: (Почему несколько? Система наполовину военная, всей правды Вам никто не расскажет).

• L1 (1575.42 МГц) : первая несущая частота;
• L2 (1227.60 МГц) : вторая несущая частота; Спутник излучает синусоидальные сигналы на двух этих частотах. Как было сказано выше, перед отправкой, эти сигналы модулируются псевдо случайной последовательностью (фазовая манипуляция). Частота L1 модулируется двумя видами кодов: C/A-кодом (код свободного доступа) и P(Y)-кодом (код санкционированного доступа), а частота L2- только P-кодом. Не стоит забывать и про информацию о положении спутников и времени, которая также присутствует в этом сигнале. Coarse Acquisition C/A (код свободного доступа) имеет частоту импульсов 1023 МГц и период повторения 0,001 сек. Этот код декодируется без проблем, однако определение точного положение с его помощью практически нереально. Protected код P(Y) (код санкционированного доступа) имеет частоту следования импульсов 10,23 МГц и период повторения 7 суток. Этот код меняется раз в неделю, а вносить в него изменения могут только доверенные лица министерства обороны США. Точнее могли, американцы дали маху и информация от них утекла. Пришлось принять дополнительные меры безопасности: в любой момент может быть запущен режим Anti Spoofing. При этом P сигнал кодируется и превращается уже в Y сигнал, который может быть расшифрован только аппаратно. Selective Availability SA (SA, режим выборочного доступа) специально создан для защиты от несанкционированных пользователей. При работе этого режима в информационном сообщении посылается не информация о положении спутников и времени, а несколько исправленная информация. Вносятся небольшие поправки (10 метров горизонтально и 30 вертикально, примерно разумеется) и точность определения сразу значительно снижается.
• L3 (1381.05 МГц) : это вклад спутников в программу обороны США, сия частота предназначена для обнаружения запуска ракет, ядерных взрывов и прочих событий, сопровождающихся выбросами большого количества энергии;
• L4 (1841.40 МГц) : сигнал для дополнительного исправления ошибок при прохождении сигналом ионосферы;
• L5 (1176.45 МГц) : частота для подачи сигнала СОС (safety-of-life (SoL)). На этой частоте будут подаваться сигналы бедствия, при этом прогнозируются минимальные погрешности приема или вообще их отсутствие. Первый спутник Block-IIF, поддерживающий возможность вещания на этой частоте должен быть запущен в 2008 году.

Возможности улучшения GPS

• Differential GPS (DGPS) - дифференциальный GPS . Позволяет увеличить точность определения с 4-20 метров до 1-3 метра. Принцип заключается в создании наземной сети стационарных GPS-приемников, которые рассчитывают свои координаты, исходя из показаний спутников (которые всегда имеют погрешность), и сравнивают со своими координатами, которые заранее известны. Поправка транслируется в локальном пространстве как FM сигнал. Этот метод позволяет дешевым гражданским приемникам значительно увеличить свою точность.
• The Wide Area Augmentation System (WAAS) - система панорамного обзора . Строятся наземные станции, которые занимают примерно тем же, что и в предыдущем случае, только не транслируют это в эфир, а передают дополнительным спутникам на геосинхронной орбите, а те в свою очередь транслируют это в эфир, кроме того, они сообщают информацию о задержке сигнала в ионосфере и т.п. Эта система может существенно помочь в воздухоплавании в условиях плохой и нулевой видимости. К сожалению, сейчас запущено только несколько WAAS спутников. Сейчас эта система функционирует только в районах западного и восточного побережья США. Однако, аналоги этой системы создаются в Европе EGNOS, the Euro Geostationary Navigation Overlay Service), и Японии (MSAS, the Multi-Functional Satellite Augmentation System). Эти системы практически идентичны WAAS.
• A Local Area Augmentation System (LAAS) . Коррекция аналогична предыдущему случаю, но трансляция происходит не со спутника, а с наземной станции, вблизи которой требуется повышенная точность (например, аэропорт).

GPS (Global Positioning System - глобальная система определения координат) - спутниковая поисковая система, составленная из совокупности 24 спутников, помещенных на орбиту американским Министерством обороны и наземных станций слежения, объединенных в общую сеть. Глобальная система определения координат работает в любых метеорологических условиях, в любой точке мира, 24 часа в день. Никаких ограничений на использование системы определения координат не существует.

История развития GPS

GPS изначально разрабатывалась в сугубо военных целях: система обороны нуждалась, с одной стороны, в средствах наведения высокоточного оружия дальнего действия и, с другой стороны, в универсальной системе навигации, доступной для массового применения в армии. Объединив эти задачи в одну –создание системы точного позиционирования, - с 1960-х годов Министерство обороны США приступило к работе. Видя перспективность этой системы не только для военных целей, разработчикам была поставлена задача, чтобы оборудование было доступно широкому кругу пользователей, но при условии, что военные смогут в любой момент ограничить действие системы.

Когда основные требования к системе были определены, военно-морские и военно-воздушные силы США приступили к разработке концепции использования радиосигналов, излучаемых со спутников, в целях навигации. Безусловно, поводом послужил запуск первого искусственного спутника. США следили за его полетом, принимая сигнал бортового передатчика на наземных пунктах с заранее известными координатами. Были изучены параметры прохождения сигналов через толщу земной атмосферы и возникающий при движении спутника по орбите доплеровский сдвиг частоты, по которому можно вычислить полную орбиту спутника. Доктор Фрэнк МакКлар (FrankT McClure) из APL(Applied Physics Laboratory) указал, что, наоборот, если известна полная орбита спутника, то по доплеровскому сдвигу можно вычислить точное положение спутника на орбите. Возник интерес к обратной задаче: расчет координат приемника на основании принятых со спутника сигналов.

Система Transit, разработанная в 1964 году, стала предшественником GPS. Она состояла из 7 низкоорбитальных спутников, которые излучали стабильные сигналы. Несколько наземных станций контролировали и корректировали параметры орбиты. Пользователи определяли свои координаты на земной поверхности, измеряя доплеровский сдвиг частоты от каждого спутника. В 1967 году система Transit стала доступна для гражданских пользователей. Она была очень быстро приспособлена для навигации судов, но из-за большого количества недостатков не могла применяться в самолетах и других быстродвижущихся объектах.

Второй предшественник GPS, Timation, был разработан под руководством Роджера Истона в NRL (Naval Research Laboratory, Военно-морская исследовательская лаборатория). Программа исследований стартовала в 1964 году и включала в себя запуск двух искусственных спутников, несущих на борту сверхстабильные часы, передачу со спутника прецизионных сигналов точного времени и определение двухмерных координат приемника. Основная идея состояла в использовании синхронизированных передатчиков, излучающих закодированных сигнал. Измеряя задержку прохождения сигнала от спутников, имеющих заранее известные координаты, можно вычислить расстояние до спутников и рассчитать на основании этого координаты приемника. Таким образом, был заложен и экспериментально опробован базовый принцип работы GPS.

Тем временем ВВС США работали над трехмерной системой («Система 621В») с непрерывным доступом. В 1972 году была продемонстрирована работа системы, использующей новый метод разделения сигналов спутников – кодовое разделение на основе псевдослучайного шумоподобного сигнала. В этом варианте все спутники излучают на одной несущей частоте, которая модулируется сверхдлинным псевдослучайным кодом, индивидуальным для каждого спутника, который позволял значительно увеличить помехоустойчивость и передавать в сигнале информацию о положении спутников (эфемериды), а также метки точного времени. В простейшем случаем коды могли быть как открытыми для общего пользования, так и секретными. Гражданским пользователям были доступны только открытые коды, поэтому достаточно было внести преднамеренные погрешности в информацию, передаваемую открытыми кодами, как работоспособным останется только военное оборудование, а гражданские приемники перестанут функционировать с приемлемой точностью. Во время испытаний этой системы была сформулирована концепция глобальной системы из 16 спутников на геостационарных орбитах, чьи проекции на земную поверхность были вытянуты на 30° севернее и южнее экватора.

В течение последующих нескольких лет комитет, собранный для координации усилий всех исследовательских групп, разрабатывающих различные навигационные системы, окончательно определил, какой должна быть система спутниковой навигации. В апреле 1973 ода военно-воздушные силы были утверждены, как ведущий разработчик DNSS (Defensive Navigation Satellite System, оборонительная система спутниковой навигации). В декабре того же года Министерство обороны США утвердило и профинансировало первый из трех этапов разработки NAVSTAR GPS, системы, построенной по сформулированной концепции.

Первый этап подразумевал экспериментальное подтверждение пригодности общей концепции спутниковой навигационной системы, демонстрацию заложенного в нее потенциала и конкретизацию дальнейшего плана работ. Во второй этап включались полномасштабные инженерные разработки, в третий – производство и развертывание сегментов GPS. Первые экспериментальные спутники позволили опробовать метод измерения дальности с использованием широкополосного радиосигнала и прецизионных меток времени, получаемых от атомных часов. Круговые орбиты спутников последовательно увеличивались с 925 км до 13000 км, а затем достигли окончательной величины в 20145 км. Так же последовательно менялась несущая частота передатчиков: сначала 400 МГц, затем 1227 МГц, и позднее достигла современного значения 1575 МГц. Военные предусмотрели двойное назначение спутников GPS, в дополнение к имеющемуся оборудованию позиционирования и точного времени, спутники могли нести на борту датчики ядерного взрыва (NUDET, nuclear detonation), предназначенные для обнаружения фактов испытания ядерного оружия, выявления ядерной атаки и оценки масштабов разрушений.

В августе 1979 года все базовые компоненты системы были введены в строй, Объединенный Центр объявил о переходе к следующему этапу работ. Период с 1980 по 1989 годы отмечен попытками сохранить устойчивое развитие GPS, сопровождавшееся несколькими существенными спадами, связанными главным образом с проблемами финансирования. Первый спутник этого периода был выведен на орбиту в феврале 1989 года и приступил к работе в апреле. Затем были запущены еще 23 спутника.

Одновременно со спутниковым сегментом развивались наземный и пользовательский. Управление было перенесено на авиабазу Фэлкон, штат Колорадо. Система была полностью протестирована и продемонстрировала успешное взаимодействие между наземными пунктами управления, спутниками и оконечным оборудованием.

Первым полномасштабным боевым испытанием для системы стал кризис в Персидском заливе, случившийся в 1990-1991 годы. Спутники GPS позволили силам антииракской коалиции маневрировать, определяться на местности и вести огонь с беспрецедентной точностью 24 часа в сутки. Условия были тяжелейшие – частые песчаные бури, отсутствие мощенных дорог, растительного покрова и других ориентиров.

В марте 1994 года формирование созвездия GPS было завершено запуском 24-го спутника. Система поддерживает стометровую точность позиционирования для гражданских пользователей. Также было заявлено, что Министерство обороны США обязуется за 48 часов уведомлять гражданских пользователей о плановом отключении сервиса стандартного позиционирования и уведомлять об аварийных ситуациях. С 1996 года на орбиту начали выводить спутники нового типа, имеющие расширенные возможности, включая систему автономной навигации. Она позволяет спутнику, в случае невозможности контакта с наземной станцией, функционировать автономно без потери точности как минимум 180 дней.

Во время разработки первоначальной концепции GPS считалось, что точности в 100 метров будет достаточно для гражданских пользователей. При испытаниях в конце 1970-х годов выяснилось, что коды стандартной точности позволяют достичь значительно лучших результатов. Реальная точность позиционирования в то время находилась в пределах 20-30 м. Для обеспечения преимущества военных в использовании GPS было решено ввести преднамеренное ограничение точности для гражданских пользователей (вводились преднамеренные ошибки в передаваемые спутниками навигационные данные, занижалась точность эталонных сигналов времени). Применение GPS расширялось, и вскоре стандартная стометровая точность перестала удовлетворять людей. В полночь с 1 на 2 мая 2000 года принудительное отключение точности было отключено.

Состав системы

Система GPS состоит из трех сегментов:

• космический сегмент
• сегмент контроля и управления
• сегмент навигационной аппаратуры потребителей/аппаратуры спутниковой навигации

Космический сегмент

В настоящее время орбитальная группировка GPS насчитывает 32 КА.

Ведутся работы по обновлению системы GPS путём замены орбитальной группировки на НКА пятого поколения (GPS-III), для чего:

В Вотертоне, шт. Колорадо, компанией Lockheed Martin выполнена сборка 10 НКА GPS-III;

Запуск НКА GPS-IIISV01 произведен в декабре 2018 г. ракето-носителем Falcon-9 (первый из десяти спутников системы GPS –III, которые должны постепенно заменить собой другие аппараты, находящиеся сейчас на орбите);

ВВС США в сентябре 2018 г. заключили дополнительный контракт с компанией Lockheed Martin на изготовление 22 НКА GPS-IIIF;

Компания Raytheon поставила систему начального этапа наземного комплекса управления (НКУ) нового поколения, известную как Блок 0, для обеспечения запусков и орбитальных проверок НКА GPS-III.

Использование НКА GPS-III должно обеспечить повышение потребительских характеристик, в том числе: мощность, устойчивость, надёжность, помехозащищённость, точность местоопределения, расширить возможности использования гражданского сигнала L1C и сигнала для военных потребителей M-Code.

Внедрение новых навигационных сигналов GPS обеспечивает совершенствование структуры цифровой информации и применением новых видов модуляции, а также переход от структуры навигационного сообщения типа NAV на структуры типа CNAV и CNAV-2, более точно передающие в новом формате информацию о состоянии GPS (текущее время, признаки состояния КА, эфемеридно-временная информация, альманах системы и т.п.). При этом сообщения передаются в виде пакетов различной длительности вместо используемой архитектуры суперкадров/кадров.

Существенным изменением структуры CNAV является увеличение количества КА, используемых по целевому назначению, с 32 до 63, а также возможность оперативно передать данные о работоспособности конкретного аппарата (целостности) с задержкой не более 6 с.

Дополнительные возможности

Система обнаружения ядерных взрывов.

Спутниковая система оповещения о чрезвычайных ситуациях DASS.

Блоки КА

Принцип работы

Спутники системы двигаются по точной орбите с периодом обращения 11 часов 58 минут и передают информацию на Землю. Приемники GPS принимают эту информацию и, используя триангуляцию (разбивку на треугольники), вычисляют точное местоположение пользователя. По существу, приемник GPS сравнивает время, переданное спутником со временем, когда это время было отправлено. Разница во времени говорит приемнику о том, как далеко находится спутник. Измерив такое расстояние еще до нескольких спутников, приемник может определить положение пользователя и, например, показать ее на электронной карте навигационного приемника (навигатора).

Навигатор должен быть привязан к сигналам, по крайней мере, трех спутников для определения двух координат (широта и долгота). Имея четыре или больше спутников в поле зрения, приемник может определить три координаты пользователя (широта, долгота и высота). Как только положение пользователя будет определено, система может вычислить другую информацию, типа скорости, курса, пройденного расстояния, расстояния до точки назначения, восхода солнца и времени заката и т.д.

Сегодняшние приемники глобальной системы определения координат чрезвычайно точны благодаря своей параллельной многоканальности. 12 параллельных приемников GPS способны поддерживать сигналы со спутников даже в плотной листве или городских зданиях. Некоторые атмосферные факторы и другие источники погрешности могут влиять на точность приемников глобальной системы.

Более новые модели приемников GPS с системой WAAS (Wide Area Augmentation System) способны улучшить точность определения координат до 2-3 метров. Эта расположенная в космосе система передает информацию, обеспечивающую непрерывность спутниковых сигналов, а также данные корректировок, определяемые наземными станциями. Правительства США, Канады и других государств установили дифференциальные GPS-станции (DGPS ), предназначенные для передачи корректирующих сигналов. Эти станции работают в прибрежных районах, а также в бассейнах судоходных рек. Пользование системой DGPS является бесплатным. Сигналы, передаваемые станциями DGPS, не только корректируют ошибки при расчете местоположения, но также компенсируют ухудшение точности GPS, вызванное использованием программы SA (Selective Availability), проводимой Департаментом Обороны США. Для использования DGPS требуется дополнительное оборудование.

Источники ошибок сигнала GPS

Факторы, которые могут ухудшить сигнал GPS и таким образом повлиять на точность, следующие:

• Ионосфера и задержки тропосферы - спутниковый сигнал слабеет, поскольку проходит через атмосферу. Система GPS использует встроенную программу, которая вычисляет среднее количество задержки, чтобы частично исправить ошибки данного типа.
• Разветвленный сигнал - Это происходит, когда сигнал глобальной системы определения координат отражен от объектов типа высоких строений или поверхностей скал до того, как достигает приемника. Это увеличивает время прохождения сигнала, таким образом, вызывая ошибки.
• Ошибки часов приемника - встроенные часы приемника не столь же точны как бортовые атомные часы спутника GPS. Поэтому, это может иметь очень небольшие ошибки синхронизации.
• Орбитальные ошибки - Также известны как эфемероидные ошибки, - погрешности местоположения спутника.
• Количество спутников - Чем больше спутников может видеть приемник, тем лучше точность. Модули глобальной системы обычно не будут работать в закрытом помещении, под водой или землей.
• Спутниковая геометрия - Это относится к относительному положению спутников в любое данное время. Идеальная спутниковая геометрия существует, когда спутники расположены под широкими углами относительно друг друга.
• Намеренное снижение производительности спутникового сигнала - Основным источником было наличие, так называемого, режима "ограниченного доступа". В этом режиме в сигналы спутников Министерством обороны США априорно вводилась погрешность, позволяющая определять местоположение с точностью 30-100 м. С 1 мая 2000 года режим "ограниченного доступа" был отключен.

Применение GPS

Несмотря на то, что изначально проект GPS был направлен на военные цели, сегодня GPS широко используются в гражданских целях. GPS-приёмники продают во многих магазинах, торгующих электроникой, их встраивают в мобильные телефоны, смартфоны, КПК и онбордеры. Потребителям также предлагаются различные устройства и программные продукты, позволяющие видеть своё местонахождение на электронной карте; имеющие возможность прокладывать маршруты с учётом дорожных знаков, разрешённых поворотов и даже пробок; искать на карте конкретные дома и улицы, достопримечательности, кафе, больницы, автозаправки и прочие объекты инфраструктуры.

• Геодезия: с помощью GPS определяются точные координаты точек и границы земельных участков
• Картография: GPS используется в гражданской и военной картографии
• Навигация: с применением GPS осуществляется как морская, так и дорожная навигация
• Спутниковый мониторинг транспорта: с помощью GPS ведётся мониторинг за положением, скоростью автомобилей, контроль за их движением
• Сотовая связь: первые мобильные телефоны с GPS появились в 90-х годах. В некоторых странах, например США это используется для оперативного определения местонахождения человека, звонящего 911. В России в 2010 году начата реализация аналогичного проекта - Эра-глонасс.
• Тектоника, Тектоника плит: с помощью GPS ведутся наблюдения движений и колебаний плит
• Активный отдых: есть разные игры, где применяется GPS, например, Геокэшинг и др.
• Геотегинг: информация, например фотографии «привязываются» к координатам благодаря встроенным или внешним GPS-приёмникам