По какому принципу работает GPS

06.05.2007

Global Positioning System (GPS) — это спутниковая навигационная система, состоящая из работающих в единой сети 24 спутников, находящихся на 6 орбитах высотой около 17 000 км над поверхностью Земли. Спутники постоянно движутся со скоростью около 3 км/сек, совершая два полных оборота вокруг планеты менее, чем за 24 часа.

Спутниковая система GPS известна также под другим названием — NAVSTAR. Очевидно, рассказ о GPS был бы неполным без сведений о самих спутниках.

• Первый GPS-спутник был запущен в феврале 1978 г.
• Каждый спутник весит более 900 кг и имеет размер около 5 м (с раскрытыми солнечными батареями).
• Мощность радиопередатчика — не более 50 ватт.
• Каждый спутник передает сигналы на 3-х частотах. Гражданские GPS-приемники используют частоту «L1», равную 1575.42 МГц.
• Каждый спутник расчитан на работу примерно в течение 10 лет. Новые спутники изготавливаются и запускаются на орбиту по мере необходимости. Работа всей системы запланирована и профинансирована минимум до 2006 г. 

Орбиты спутников располагаются примерно между 60 градусами северной и южной широты. Этим достигается то, что сигнал от хотя бы от некоторых спутников может приниматься повсеместно в любое время. Даже на полюсах можно «увидеть» спутники — правда, они не будут пролетать прямо над головой. Это, конечно, повлияет на геометрию и , следовательно, на точность — но лишь немного.

Одним из важнейших преимуществ GPS перед существовавшими ранее наземными системами является всепогодность. Независимо от того, для каких целей Вы используете навигацию, GPS-приемник готов показать Ваше местоположение — и именно тогда, когда вам это надо.

Какую же информацию передает GPS-спутник? Его сигнал содержит  т. н. «псевдослучайный код» (PRN — pseudo-random code), эфимерис (ephimeris) и альманах (almanach). Псевдослучайный код служит для идентификации передающего спутника. Все они пронумерованы от 1 до 32 и этот номер показывается на экране GPS-приемника во время его работы. Почему же количество PRN-номеров больше, чем число спутников (24)? Это облегчает обслуживание GPS-сети: новый спутник может быть запущен, проверен и ивведен в эксплуатацию еще до того, как старый выйдет из строя. Такому спутнику просто будет присвоен новый номер ( от 1 до 32).

Данные эфимериса, постоянно передаваемые каждым спутником, содержат такую важную информацию, как состояние спутника ( рабочее или нерабочее), текущая дата и время. Без этого Ваш GPS-приемник не знал бы, в частности, какой сегодня день и сколько сейчас времени. Помимо этого, как мы увидим далее, эта часть сигнала крайне важна для определения местоположения.

Данные альманаха говорят о том, где в течение дня должны находиться все GPS-спутники. Каждый из них передает альманах, содержащий параметры своей орбиты, а также всех других спутников системы.

Пожалуй теперь картина того, как работает GPS, должна становиться для Вас немного яснее. Каждяй спутник передает сигнал, который, образно говоря, означает следующее: «Я — спутник № Х, сейчас мое положение Y, это сообщение было послано во время Z». Конечно, это — сильное упрощение, но поможет понять идею.

Ваш GPS-приемник получает это сообщение и запоминает эфимерис и альманах для дальнейшего использования. Эта же информация используется для установки или коррекции часов приемника. Итак, для определения местоположения GPS-приемник сравнивает время отправки сигнала со спутника со временем его получения на Земле. Эта разница во времени говорит приемнику о расстоянии до конкретного спутника. Если добавить к этому информацию о расстоянии, измеренном до нескольких других спутников, то можно триангулировать свое местоположение. Это в точности то, что делает GPS-приемник. Имея сигналы от минимум трех спутников, он может определить широту и долготу — это называется двумерной фиксацией. Если же спутников четыре или более, то GPS-приемник может определить положение в 3-х мерном пространстве, т. е. указать широту, долготу и высоту. Постоянно отслеживая Ваше местоположение в течении некоторого времени, приемник также может расчитать скорость и направление Вашего движения (имеется ввиду  т. н. «наземная скорость» и «наземный курс»).

Это были хорошие новости, теперь — плохие! Что же заставляет GPS-приемник работать хуже своих предельных возможностей? Существует несколько факторов, вносящих ошибку в определение местоположения, не позволяющих получить наилучшую точность. Первым и наиболее существенным из них является  т. н. «избирательный доступ» (SA — Selective Availability). SA — это преднамеренное уменьшение точности гражданских GPS-навигаторов, осуществляемое Министерством обороны США. SA приводит к уменьшению точности максимум до 100 метров. Конечно, внесенная ошибка обычно не достигает этой величины, но значения в 30 и более метров — не так уж редки.

Почему существует SA? Первоначально GPS была разработана и создана для военных целей. По мере ее внедрения стало ясно, что она может успешно применяться и для ряда гражданских задач. В начале 80-х годов в своей президентской речи Рональд Рейган заявил, что GPS будет доступна каждому — с тем только исключением, что наилучшая точность будет оставлена для военных. С этого времени начался регулярный запуск спутников с возможностью SA. Сегодня все существующие GPS-спутники имеют возможность и применяют на практике SA. Рациональное зерно в SA — не дать военному противнику или террористическим организациям использовать макимальную точность GPS.

Другим фактором, влияющим на точность GPS является геометрия спутников. Простыми словами, понятие «геометрия спутников» означает то, как они расположены относительно друг друга и GPS-приемника. Если, например, приемник «видит» четыре спутника и все четыре расположены в северном и западном направлениях, то спутниковая геометрия скорее плохая. Причем вплоть до того, что приемник вообще не сможет определить местоположение. Почему? Потому что все расстояния, измеренные до спутников, будут лежать в одном глобальном направлении. Это означает, что триангуляция будет плохой и что область пересечения построенных прямых будет довольно большой (т.е. область вероятного положения будет занимать значительное пространство и точно указать координаты невозможно). В этом случае, даже если приемник выдает некоторые значения координат, их точность не будет достаточно хороша (возможно, 100 — 150 м).

Если же эти четыре спутника будут находиться в разных направлениях, то точность значительно возрастет. Предположим, что они расположены равномерно по сторонам горизонта — на севере, востоке, юге и западе. Тогда, очевидно, геометрия будет очень хорошей. Область, определяемая пересечением соответствующих прямых будет невелика и мы можем быть уверены в правильности расчитанного местоположения. В таком случае, даже если принять во внимание действие SA, точность может быть не хуже 30 м.

Геометрия спутников становится особенно важной при использовании GPS-приемника в автомобиле, среди высоких зданий, в горах или в глубоких ущельях. Если сигналы от некоторых спутников оказываются экранированы, то точность определения местоположения будет зависеть от оставшихся «видимыми» спутников (а от их количества — возможность провести расчеты вообще). Чем большая часть неба заслонена искусственными или естественными предметами, тем более сложно определить положение. Хорошие модели GPS-приемников показывают не только сколько спутников находятся в зоне видимости, но и где они расположены на небе (направление и высоту над горизонтом) для того, чтобы Вы могли определить, не экранируется ли сигнал от данного спутника.

Другим источником ошибок является переотражение спутникового сигнала от различных объектов. (В быту мы встречаемся с эти явлением в виде появления раздвоенного изображения на экране телевизора.) В случае GPS переотражение возникает при взаимодействии сигнала со зданиями или рельефом местности до того, как он достигнет приемной антенны. Такому сигналу требуется больше времени для достижения приемника, чем прямому. Это увеличение времени заставляет приемник считать, что спутник находится на большем расстоянии, чем на самом деле и это увеличивает ошибку при определении положения. Такие переотражения, если происходят, то могут добавить около 5 м в общую ошибку.

Существуют ли другие источники погрешностей? Конечно. Например, задержка прохождения сигнала из-за различныз атмосферных феноменов. Или ошибка хода часов приемника. Однако GPS-приборы спроектированы так, чтобы, по возможности, компенсировать их и, надо сказать, они справляются с этой задачей вполне успешно. Однако, небольшие искажения все же возможны. Для тех, кто интересуется, можно заметить, что задержка прохождения сигнала означает уменьшение скорости распространения радиоволн при прохождении ионосферы и тропосферы Земли. В космосе радиосигналы распространяются со скоростью света, однако при попадании их в ионизированные слои атмосферы Земли они существенно замедляются.

Насколько же точна GPS на практике? Обычные гражданские GPS-приемники обеспечивают точность от 20 до 70 м в зависимости от действующего на данный момент SA, количества видимых спутников и их геометрии. Более сложные и дорогие приборы, стоящие несколько тысяч долларов, могут обеспечить точность до нескольких сантиметров, используя не оду, а несколько радиочастот. Однако точность даже обычных гражданских GPS-приемников может быть увеличена до 4 м и более ( в ряде случаев — до 1 м) с помощью т. н. дифференциальной GPS (DGPS). DGPS использует дополнительный, фиксированный в одной точке GPS-приемник для определения корекции спутниковых сигналов. Как же величина необходимой коррекции сообщается Вашему GPS-приемнику? В настоящее время в мире существует несколько бесплатных и платных служб такого рода. Так, например, Береговая охрана США и Инженерный корпус Армии США передают GPS-коррекции через морские радио-буи. Они работают в диапазоне 283.5 — 325.0 кГц и пользоваться ими можно бесплатно. Вашими единственными расходами, если Вы захотите пользоваться услугами этих служб, будет приобретение DGPS-приемника. Этот приемник подключается к Вашему GPS-навигатору с помошью 3-х проводного кабеля, по которому поправка передается в обычном последовательном виде в формате, называемом RTCM SC-104.

Платные DGPS-службы работают в УКВ-диапазоне или осуществляют вещание через спутники. Естественно, и в этих случаях Вам понадобится специальный DGPS-приемник для приема поправок и передачи их на GPS-навигатор. Цена зависит от требуемой точности.

Какой же GPS-премник будет для Вас наилучшим? Вот он, главный вопрос, не так ли? И, конечно, самый сложный, т. к. на ответ влияют много различных факторов.

1. Как предполагается его использовать? Ведь самое трудное — это найти прибор, подходящий для Ваших конкретных задач. Если Вам нужен приемник для установки в приборную панель планера, то ручной навигатор для отдыха на воде не будет представлять никакого интереса. Для того, чтобы сузить диапазон поиска, Вам надо внимательно посмотреть, какие приборы выпускаются для Ваших специфических задач.
2. После этого в некоторых случаях Вы все еще можете иметь достаточно широкий выбор моделей. Например, если Вы предпочитаете пеший туризм или охоту, то Вам подойдет прибор в герметичном исполнении — впрочем с тем же успехом, что и портативная модель, предназначенная для яхтсменов или летчиков-любителей. В такой ситуации Вам придется более подробно изучить их специфические особенности. Если Вы не собираетесь пилотировать самолет, то вся дополнительная информация об аэропортах мира, хранящаяся в памяти ручных авиационных GPS-приемников, не будет оправдывать разницы в цене. Морские навигаторы со сменными картриджами, хранящими точные данные о навигационных знаках и глубинах, также не очень Вам помогут (если Вы, конечно, не захотите испольхзовать его также на Вашей яхте).
3. Каков ценовой диапазон? Как только Вы определили небольшой перечень подходящих приборов, Вам все еще предстоит определиться с приемлемой ценой. Внимательно изучите каждую модель и постарайтесь понять, что имеют более дорогие модели, чего нет в более дешевых? Нужны ли Вам дополнительные функции или принадлежности, присущие более дорогим моделям, или дешевой вполне достаточно для выполнения задачи?
4. Какая модель Вам больше нравится? Выбор правильного навигатора — это на две трети рациональные рассуждения, и на одну треть — просто чувство. Если логика подсказывает Вам остановиться на двух или трех моделях, попробуйте поработать с каждой из них. Иногда разница в удобстве эксплуатации может показаться очень большой. Один из приборов Вам может представиться понятным и удобным, а другой — черезчур сложным в использовании. Выбирайте тот GPS-приемник, который Вам больше нравится! Больше шансов, что Вы по-прежнему будете довольны своим выбором и через месяц, и через год!

Кто же и как использует GPS? Вообще говоря, GPS может найти применение везде, кроме мест, где нельзя принимать спутниковые сигналы, т.е. в зданиях, под землей, под водой и т.п. В авиации наиболее распространено применение GPS в качестве навигационного на коммерческих и любительских самолетах. На море GPS обычно также используется рыбакааи и любителями отдыха на море в качестве навигационного прибора. Наземное применение GPS очень разнообразно.

Достаточно интересным является использование GPS многими учеными и исследователями в качестве источника точного времени. Действительно, как уже говорилось выше, определение времени прохождения радиосигнала лежит в основе самой идеи GPS. С этой целью внутренние часы приемника постоянно синхронизируются с прецизионными атомными часами, установленными на спутниках. Это позволяет обеспечить точность измерения времени от микро- до наносекунд. Поэтому при проведении научных экспериментов становится возможным повсеместно иметь абсолютныо точные отметки времени. Нельзя, конечно забывать, что и информация о положении в ряде экспериментов тоже может представлять интерес.

Важное место занимает GPS в работе спасательных служб. GPS позволяет существенно сократить затраты, связанные с поисковыми работами и значительно сократить время проведения спасательных операций. Используемые этими службами GPS-приемники стоят около 3 000 $ и обеспечивают точность до 1 м. Существуют и еще более дорогие модели, обеспечивающие точность до нескольких сантиметров !

Цели, для которых GPS используется любителями отдыха на природе, так же разнообразны, как и виды такого отдыха. Сегодня GPS становится черезвычайно популярным среди любителей пешего, горного, водного и лыжного туризма, охотников, рыболовов, велосипедистов и еще многих других. Любой, кому нужно знать, где он находится и откуда пришел, как ему добраться до нужного места, с какой скоростью он движется и когда доберется до цели — может легко пользоваться преимуществами, предоставляемыми GPS.

В очень скором будущем GPS станет стандартным оборудованием автомобилей. Некоторые базовые системы, как, например, вызов техпомощи и полиции на место аварии, уже начали внедряться (водитель нажал кнопку, GPS-приемник определил координаты и передал их вместе с сигналом вызова на диспетчерский центр и — выезднаябригада уже знает, куда ехать). Внедряются также и другие системы, которые отображают на экране Ваше положение и помогают прокладывать маршрут через лабиринты улиц и дорог. Для контроля передвижения спецавтомобилей (например, инкассаторских) и для борьбы с угонами начали использоваться системы, постоянно отслеживающие положение движущегося объекта на карте местонсти.

Авторизованный перевод с английского: What is GPS? By GARMIN Corporation, 1998

Подготовлено фирмой Bosto

Возврат