Технология спутниковой навигации - GPS

Что означает "GPS"?

GPS - начальные буквы названия глобальной системы определения координат - Global Positioning System.

Что это за система?

Технология спутниковой навигации основана на приеме сигналов, поступающих от спутников, и вычислении расстояния между спутником в момент излучения и приемником в момент приема. Регистрируя время прохождения радиосигнала, и, зная скорость его распространения, легко определить расстояние до источника излучения. Для вычисления координат (широты и долготы) приемника на поверхности земли необходимо одновременно определять расстояние до трех навигационных спутников. При приеме сигналов от четырех спутников можно вычислить также высоту объекта над уровнем моря. Положение спутников на орбитах должно быть известно в любой момент времени. Помимо этого для правильного вычисления координат необходима точная временная привязка и синхронизация часов на спутниках и в навигационных приемниках. На спутники устанавливают атомные часы, имеющие точность около одной наносекунды. Для корректировки хода часов навигационных приемников используются специальные алгоритмы обработки сигналов, одновременно поступающих от четырех спутников.

Это система, позволяющая с точностью не хуже 100 метров определить местоположение объекта, т.е. определить его широту, долготу и высоту над уровнем моря, а также направление и скорость его движения. Кроме того, с помощью GPS можно определить время с точностью до 1 наносекунды.

Из чего состоит GPS?

GPS состоит из совокупности определенного количества искусственных спутников Земли (спутниковой системы «NAVSTAR») и наземных станций слежения, объединенных в общую сеть. В качестве абонентского оборудования служат индивидуальные GPS-приемники, способные принимать сигналы со спутников и по принятой информации вычислять свое местоположение.

Что представляет собой спутниковая система NAVSTAR?

В состав спутниковой системы «NAVSTAR» входят 24 искусственных спутников Земли, находящихся на 6 различных круговых орбитах, которые расположены под углом 60o друг к другу. Период обращения одного спутника - 12 часов. Вес каждого спутника около 787 кг, размер более 5 м, включая солнечные батареи. На борту каждого спутника установлены атомные часы, вычислительно кодирующее устройство и передатчик мощностью 50 Вт, излучающий на частоте 1575.42 МГц.

Рождением «NAVSTAR» можно считать февраль 1978 года, когда на орбиту был выведен первый спутник системы. Средний срок службы одного спутника приблизительно 10 лет, поэтому в программу входит постоянное производство и выведение на орбиту новых спутников, на смену использовавшим свой ресурс. Стоимость постройки и запуска 24 спутников - 12 миллиардов долларов.

Какую информацию спутники передают на Землю ?

Каждую миллисекунду спутники передают на Землю:

• o свой статус (сообщение об исправности или неисправности);
• o текущую дату;
• o текущее время;
• o данные альманаха;
• o точное время отправки всей совокупности сообщений.

Что такое альманах?

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

Как происходит определение координат?

GPS-приемник на основании полученной со спутников информации определяет расстояние до каждого спутника, их взаимное расположение и вычисляет свои координаты по законам геометрии. При этом, для определения 2-х координат (широта и долгота) достаточно получить сигналы с трёх спутников, а для определения высоты над уровнем моря - с четырёх.

Как GPS-приемник определяет расстояние до спутников?

Поскольку скорость распространения радиосигналов постоянна и равна скорости света, расстояние до спутников определяется по задержке времени приема сообщения GPS-приемником относительно времени отправки сообщения с борта спутника. Конечно, для точного определения этой задержки часы на спутниках и часы в GPS-приемнике должны быть синхронны, что обеспечивается синхронизацией часов приемника по информации, содержащейся, как указывалось выше, в сигналах спутников.

Каковы источники погрешности при определении местоположения?

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, хотя принципиально точность GPS-системы может достигать нескольких сантиметров. С 1 мая 2000 года режим "ограниченного доступа" был отключён. Другими источниками погрешности являются неудачная геометрия взаимного расположения спутников, многолучевое распространение радиосигналов (влияние переотраженных радиоволн на приемник), ионосферные и атмосферные задержки сигналов и др.

Что представляет собой GPS-приемник?

Система GPS позволяет определить местоположение в любой точке на суше, на море и в околоземном пространстве. В зависимости от области применения, диапазон которой довольно широк, а также от стоимости, которая может колебаться от сотен до нескольких тысяч долларов, исполнение GPS-приемников также весьма разнообразно. В целом весь спектр моделей можно разделить на четыре большие группы:

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

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

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

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

Существуют ли другие системы определения местоположения?

Существует альтернативная спутниковая система «ГЛОНАСС». Однако, несмотря на более высокую точность определения местоположения, ее надежность и потребительские характеристики существенно ниже, чем у «NAVSTAR», и на сегодняшний день широкого распространения эта система не получила.

Новости 26-01-2007
Весь транспорт России будет оборудован системами спутниковой навигации

В ближайшие годы, автомобили, суда и грузовые вагоны в России будут оборудованы системами спутниковой навигации, заявил министр транспорта России Игорь Левитин. «В России, по американскому примеру, планируется оборудовать подвижной состав - автомобили, суда и грузовые вагоны - специальными датчиками, по которым будет отслеживаться работа транспорта», - сказал министр транспорта. По его словам, Минтранс связывает эти системы с системой ГЛОНАСС – российской орбитальной группировкой из 24 спутников, которая в 2009 году должна быть в полном объеме выведена в космос. Он станет аналогом и конкурентом американской системе GPS. 

  Евро-GPS начинает работу