GPS NAVSTAR (Global Positioning System), в дословном переводе — глобальная система позиционирования. Для большинства пользователей она стала известной и доступной лишь несколько лет назад. Однако мало кто знает, что в феврале следующего года ей исполнится 30 лет. Именно столько пройдет с момента запуска первого спутника. Впрочем, не только для нас система GPS стала доступной столь недавно.

Началом ее коммерческого использования можно считать 1 мая 2000 года, когда Президент соединенных штатов (именно этой стране, вернее ее военным, принадлежат все спутники системы) подписал указ об отмене так называемого «избирательного доступа» («Selective Availability»). Смысл последнего состоял в том, чтобы намерено вносить искажения в сигнал, передаваемый со спутников, снижая при этом точность позиционирования до 100-150 метров. Без него погрешность определения координат стала составлять не более 3 метров. Впрочем, в характеристиках большинства приемников мы встречаем цифру 10 метров, она объясняется лишь ограничениями законодательства той или иной страны.


Стоит отметить еще одну особенность gps спутников — в их задачу, помимо определения координат, входит еще обнаружение ядерных взрывов, в любом месте по всей поверхности земли.

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

[250x245]
Несмотря на то, что для нормальной работы системы достаточно 24-х спутников, на данный момент (август 2007 г.) в орбитальную группировку входит 30 рабочих аппаратов. Эта избыточность нисколько не мешает, а наоборот даже помогает добиться более точного определения координат.

Все спутники передают данные на приемник посредством радиосигнала, транслирующегося на две частоты. Одна из них считается гражданской и имеет индекс L1 (1575.42 МГц), вторая же используется в основном военными и маркируется как L2 (1227.60 МГц). На основании данных, передаваемых с помощью L1, можно добиться точности позиционирования до 3-х метров. Если же наряду с «гражданской» L1 использовать еще и «военную» L2, то погрешность определения координат снижается до нескольких миллиметров. Однако такая точность необходима крайне редко, поэтому большинство современных коммерческих GPS-приемников используют исключительно L1. L2 же, помимо военных нужд, применяется еще и в дорогостоящем геодезическом оборудовании.


Как определяется местоположение

Теоретически для определения местоположения необходимы данные с трех спутников. Попробуем разобраться, как происходит этот процесс. Допустим, нам известна величина расстояния от одного спутника до приемника. Зная ее, мы можем нарисовать окружность вокруг спутника, на краю которой и будет находиться наш приемник.

[500x375]

Добавим данные со второго спутника.

[500x375]

Таким образом, мы сузили сектор поиска до пересечения двух окружностей. Остается прибавить информацию о третьем спутнике.


[500x375]
Таким образом, мы получаем точные координаты приемника, который находится на пересечении трех окружностей.

Мы постарались максимально упростить схему, изобразив двухмерную модель. В действительности все происходит в трехмерном пространстве, но принцип вычислений используется тот же.

Теперь нам осталось выяснить, как рассчитывается расстояние от спутников до приемника. Все очень просто: достаточно умножить скорость света (скорость распространения радиоволн) на время прохождения сигнала от спутника до приемника. Полученная величина и будет искомым расстоянием. При этом для вычисления времени необходима точнейшая синхронизация часов космического аппарата с часами принимающего устройства, так как разница даже в 0.0000003 секунды впоследствии вызывает ошибку равную 100 метрам. Для этого на каждом спутнике установлено четверо точнейших атомных часов. Стоит отметить, что одни такие часы стоят порядка 100000$. Но даже они могут содержать отклонения от эталонного времени. Что же говорить об обычных кварцевых часах, установленных непосредственно в принимающих устройствах, тут возможность погрешности в разы больше. Именно поэтому для точного определения координат нужно не три, а четыре спутника. Последний как раз и призван нивелировать временные ошибки первых трех.


Наземная составляющая GPS

Помимо орбитальных спутников в состав системы GPS входит 5 наземных станций слежения. Они находятся на пяти военных базах США: на Гавайях, на острове Вознесенья, в Кваджалейн, на острове Диего-Гарсия и в Колорадо-Спрингс. В ближайших планах постройка шестой, на мысе Канаверал. Во главе наземного сегмента стоит Главная управляющая станция, находящаяся в Колорадо на базе ВВС «Шривер».

Все станции слежения оборудованы GPS-приемниками, которые принимают навигационные сигналы со всех спутников. Затем собранные данные посылаются на главную управляющую станцию в Колорадо. Там ведется анализ и обработка полученной информации. Затем на ее основе вводятся необходимые изменения в орбиты спутников и их встроенные часы. Такая операция проводится один раз в 24 часа с каждым сателлитом, входящим в орбитальную группировку.

Стоит отметить, что пяти станций слежения недостаточно для максимально корректной работы системы GPS. Поэтому наряду с перечисленными центрами используются еще шесть, принадлежащих национальному управлению картографии (NIMA).

Особенности работы GPS-приемников

Как мы выяснили ранее, для определения координат GPS-приемнику необходимы данные с орбитальных спутников. Однако их получение и обработка требуют некоторого времени — от нескольких секунд до десятка минут. Попробуем разобраться, от чего зависит это время. В первую очередь от наличия в приемнике альманаха и эфемерид. Альманах — это данные, передаваемые спутником и содержащие информацию о параметрах орбит всех спутников. С его помощью можно лишь приблизительно вычислить их местоположение. Альманах постоянно обновляется, так как передается каждым спутником, входящим в систему GPS. Время его актуальности составляет 2-3 месяца. Это связано с тем, что в работу спутников ежедневно вносятся корректировки, и по прошествии такого длительного времени погрешность будет слишком велика. Эфемериды, в отличие от альманаха, содержат более точные данные о местоположении спутников, но время их действия составляет не более 4-6 часов. От наличия этих двух типов данных и зависит время старта приемника.

Существует три типа стартов — «Холодный», «Теплый» и «Горячий».

«Холодный старт» — альманах и эфемериды неизвестны, в современных устройствах занимает несколько минут. «Теплый старт» — альманах известен, а эфемериды нет, длится не более минуты. «Горячий старт» — известны и альманах, и эфемериды, занимает несколько секунд. Определить, какой из стартов используется в данный момент, очень просто: если вы включаете приемник первый раз за 3 месяца, то это будет «холодный старт», если с момента последнего использования устройства прошло более 6 часов, то это будет «теплый старт», если менее 4 часов, то «горячий». Стоит отметить, что указанные нами данные о приблизительном времени стартов характерны исключительно для современных устройств, оснащенных наиболее популярным сегодня чипсетом SIRF StarIII. Если ваш приемник оснащен другим чипом, то это время может отличаться в несколько раз, причем как в худшую сторону, так и в лучшую.

Не стоит забывать и об ошибках, которые могут возникнуть в реальных условиях. В первую очередь на точность определения влияет рельеф местности. Если вы находитесь в зоне плотной застройки, то вероятность ошибки возрастает в разы, так как на полезный сигнал нередко накладывается отраженный, снижая, таким образом, точность позиционирования. Также немалое влияние оказывают погодные явления, например, дождь или снег. Не стоит забывать и про такие банальные источники помех, как листва деревьев, бытовые радиоприборы, кузов автомобиля и даже человеческое тело. Как раз все эти факторы и вынуждают использовать не четыре спутника, которых, в теории, достаточно для определения координат, а намного больше, дополнительно применяя при этом сложнейшие алгоритмы расчетов устранения ошибок, вызванных помехами.


оригинал статьи на мобайл-ревью


Tags: gps, теория gps,