Смотреть что такое "GPS" в других словарях. Что такое GPS (Джипиэс)

Мы каждый день пользуемся системами навигации. Кому-то нужно проложить маршрут в незнакомое место, кто-то ищет новые пути дом-работа-дом, кто-то просто страдает топографическим кретинизмом. Мы редко задумываемся о том, как это работает и вспоминаем, что это как-то связано со спутниками только тогда, когда все рьяно тупит и маршрут не строится. А все же, как это работает и нужен ли для корректной работы GPS Интернет?

Нет, Интернет не нужен. С этим разобрались. На самом деле, вокруг нашей планеты кружит 24 спутника (запущено почти 60, но не все уже в работе), с помощью которых каждый из нас может определить свое местоположение. У каждого спутника есть своя орбита, и за космические сутки (23 часа 56 минут) он успевает облететь Землю два раза. И все же, как люди додумались до создания спутниковой системы?

В 80-х российские учёные занялись разработкой системы навигации по спутникам, которую в будущем назовут “ГЛОНАСС”. Первый спутник со стороны России был запущен в 1982 году, но идея не взлетела, потому что финансирование закончилось. Зато в это время подсуетились в США, заметив, что их соперник уже во всю выводит что-то на орбиту. Их проект начался еще в 1973 году, но шел неспешно, не торопясь, а после того, как “противник” вплотную занялся делом, американцы до 1993 года быстренько вывели на орбиту Земли 24 спутника и покрыли всю площадь планеты сигналом. Изначально, GPS задумывался исключительно как военная технология, но в процессе работы над проектом было решено дать возможность каждому использовать систему. Для этого абсолютная точность наведения была изменена с помощью специального алгоритма.

Принцип работы

24 спутника на высоте около 20 тысяч километров, вокруг планеты они расположены так, что в любой момент времени из любой точки Земли точно видно 4 спутника, максимум их может быть видно 12. В каждом спутнике имеются атомные часы, точность которых определена до наносекунд. Любой объект на Земле или над ней (самолеты, к примеру) определяют свое положение в зависимости от получаемых сигналов времени от разных спутников. Расстояние от трех спутников определяет точку на земном шаре. Для корректного определения вашего местоположения необходимы как минимум 3 спутника, но чем их больше, тем точность выше. Три сигнала дают нам три точки, вокруг которых мы можем начертить воображаемую сферу с радиусом, равным расстоянию до объекта. Пересечение двух сфер дает окружность возможных положений искомого объекта, а наличие третьей сферы дает возможность свести данные до одной конкретной точки – вашего местоположения. В целом каждое устройство с GPS-приемником ориентируется на данные от 3 до 12 спутников. Когда пользователь задает запрос (в машине, в смартфоне, просто gps-навигатор), он получает “ответочку” от трех-четырех и больше спутников с орбиты. Сигнал содержит данные о координатах спутника и времени на его часах. Получая сигналы из разных источников, учитывая разницу времени на Земле и в космосе, зная скорость передачи радиоволн, приемник рассчитывает с помощью уравнения расстояние до спутника (называется она псевдодальность) и, анализируя данные, определяет точное местоположение. Таким образом каждый человек может прокладывать маршруты и находить себя в пространстве в режиме реального времени.

Интересным моментом в работе GPS является вопрос коррекции времени. Ведь точность в вопросах определения геолокации важна, особенно если речь идет о военной технологии, пусть она и стала общественным достоянием. Для корректной работы спутников была учтена теория относительности. Из-за того, что с Земли мы видим спутники в движении, специальная теория относительности утверждает, что часы на них должны идти медленнее на 7 микросекунд из-за меньшей скорости хода времени. Кроме того, положение спутника относительно Земли заставило ученых брать в расчет кривизну пространства и времени, ведь масса планеты меньше влияет на часы на спутнике, чем на ее территории (ход часов, расположенных ближе к массивному объекту, кажется медленнее, чем часов, находящихся дальше от объекта). Короче говоря, с Земли кажется, что время на спутнике идет медленнее с разницой в 38 миллисекунд в сутки. Ведь даже разность данных на 20 наносекунд привела бы к погрешностям в вычислениям геолокации каждые пару минут, и эта ошибка накапливалась бы. К примеру, за день точность определения местоположения объектов сбилась бы приблизительно на 10 км!

Конечно, погрешности имеются. Каждый знает, что сигнал очень плохо считывается в помещении, ведь он плохо проходит через бетонные стены и металлические укрепления, в тоннеле или подвале не принимается совсем. Даже повышенная облачность может сбить точность информации. К тому же, если часы вашего GPS идут неверно, это тоже может привести к неправильным результатам.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .

Спутниковая навигация GPS давно уже является стандартом для создания систем позиционирования и активно применяется в различных трекерах и навигаторах. В проектах Arduino GPS интегрируется с помощью различных модулей, не требующих знания теоретических основ. Но настоящему инженеру должно быть интересно разобраться со принципом и схемой работы GPS, чтобы лучше понимать возможности и ограничения этой технологии.

Схема работы GPS

GPS – это спутниковая навигационная система, разработанная Министерством обороны США, которая определяет точные координаты и время. Работает в любой точке Земли в любых погодных условиях. GPS состоит из трех частей – спутников, станций на Земле и приемников сигнала.

Идея создания спутниковой навигационной системы зародилась еще в 50-е годы прошлого столетия. Американская группа ученых, наблюдающая за запуском советских спутников, заметила, что при приближении спутника частота сигнала увеличивается и уменьшается при его отдалении. Это позволило понять, что возможно измерить положение и скорость спутника, зная свои координаты на Земле, и наоборот. Огромную роль в развитии навигационной системы сыграл запуск спутников на низкую околоземную орбиту. А в 1973 году была создана программа «DNSS» («NavStar»), по этой программе спутники запускались на среднюю околоземную орбиту. Название GPS программа получила в том же 1973 году.

Система GPS на данный момент используется не только в военной области, но и в гражданских целях. Сфер применения GPS много:

• Мобильная связь;
• Тектоника плит – происходит слежение за колебаниями плит;
• Определение сейсмической активности;
• Спутниковое отслеживание транспорта – можно проводить мониторинг за положением, скоростью транспорта и контролировать их движение;
• Геодезия – определение точных границ земельных участков;
• Картография;
• Навигация;
• Игры, геотегинт и прочие развлекательные области.

Важнейшим недостатком системы можно считать невозможность получения сигнала при определенных условиях. Рабочие частоты GPS лежат в дециметровом диапазоне волн. Это приводит к тому, что уровень сигнала может снизиться из-за высокой облачности, плотной листвы деревьев. Радиоисточники, глушилки, а в редких случаях даже магнитные бури также могут мешать нормальной передаче сигнала. Точность определения данных будет ухудшаться в приполярных районах, так как спутники невысоко поднимаются над Землей.

Навигация без GPS

Поправки в полученные уравнения вносит расхождение между расчетным и фактическим положением спутника. Погрешность, которая возникает в результате этого, называется эфемеридной и составляет от 1 до 5 метров. Также свой вклад вносят интерференция, атмосферное давление, влажность, температура, влияние ионосферы и атмосферы. Суммарно совокупность всех ошибок может довести погрешность до 100 метров. Некоторые ошибки можно устранить математически.

Чтобы уменьшить все погрешности, используют дифференциальный режим GPS. В нем приемник получает по радиоканалу все необходимые поправки к координатам от базовой станции. Итоговая точность измерения достигает 1-5 метров. При дифференциальном режиме существует 2 метода корректировки полученных данных – это коррекция самих координат и коррекция навигационных параметров. Первый метод использовать неудобно, так как все пользователи должны работать по одним и тем же спутникам. Во втором случае значительно увеличивается сложность самой аппаратуры для определения местоположения.

Существует новый класс систем, который увеличивает точность измерения до 1 см. Огромное влияние на точность оказывает угол между направлениями на спутники. При большом угле местоположение будет определяться с большей точностью.

Точность измерения может быть искусственно снижена Министерством обороны США. Для этого на устройствах навигации устанавливается специальный режим S/A – ограниченный доступ. Режим разработан в военных целях, чтобы не дать противнику преимущества в определении точных координат. С мая 2000 года режим ограниченного доступа был отменен.

Все источники ошибок можно разделить на несколько групп:

• Погрешность в вычислении орбит;
• Ошибки, связанные с приемником;
• Ошибки, связанные с многократным отражением сигнала от препятствий;
• Ионосфера, тропосферные задержки сигнала;
• Геометрия расположения спутников.

Основные характеристики

В систему GPS входит 24 искусственных спутника Земли, сеть наземных станций слежения и навигационные приемники. Станции наблюдения требуются для определения и контроля параметров орбит, вычисления баллистических характеристик, регулировка отклонения от траекторий движения, контроль аппаратуры на бору космических аппаратов.

Характеристики навигационных систем GPS :

• Количество спутников – 26, 21 основной, 5 запасных;
• Количество орбитальных плоскостей – 6;
• Высота орбиты – 20000 км;
• Срок эксплуатации спутников – 7,5 лет;
• Рабочие частоты – L1=1575,42 МГц; L2=12275,6МГц, мощность 50 Вт и 8 Вт соответственно;
• Надежность навигационного определения – 95%.

Навигационные приемники бывают нескольких типов – портативные, стационарные и авиационные. Приемники также характеризуются рядом параметров:

• Количество каналов – в современных приемников используется от 12 до 20 каналов;
• Тип антенны;
• Наличие картографической поддержки;
• Тип дисплея;
• Дополнительные функции;
• Различные технические характеристики – материалы, прочность, защита от влаги, чувствительность, объем памяти и другие.

Принцип действия самого навигатора – в первую очередь устройство пытается связаться с навигационным спутником. Как только связь будет установлена, происходит передача альманаха, то есть информации об орбитах спутников, находящихся в рамках одной навигационной системы. Связи с одним только спутником недостаточно для получения точного местоположения, поэтому оставшиеся спутники передают навигатору свои эфемериды, необходимые для определения отклонений, коэффициентов возмущения и других параметров.

Холодный, теплый и горячий старт GPS навигатора

Включив навигатор впервые или после долгого перерыва, начинается долгое ожидание для получения данных. Долгое время ожидания связано с тем, что в памяти навигатора отсутствуют либо устарели альманах и эфемериды, поэтому устройство должно выполнить ряд действий по получению или обновлению данных. Время ожидания, или так называемое время холодного старта, зависит от различных показателей – качество приемника, состояние атмосферы, шумы, количество спутников в зоне видимости.

Чтобы начать свою работу, навигатор должен:

• Найти спутник и установить с ним связь;
• Получить альманах и сохранить его в памяти;
• Получить эфемериды от спутника и сохранить их;
• Найти еще три спутника и установить с ними связь, получить от них эфемериды;
• Вычислить координаты при помощи эфемерид и местоположения спутников.

Только пройдя весь этот цикл, устройство начнет работать. Такой запуск и называется холодным стартом .

Горячий старт значительно отличается от холодного. В памяти навигатора уже имеется актуальный на данный момент альманах и эфемериды. Данные для альманаха действительны в течение 30 дней, эфемерид – в течение 30 минут. Из этого следует, что устройство выключалось на непродолжительное время. При горячем старте алгоритм будет проще – устройство устанавливает связь со спутником, при необходимости обновляет эфемериды и вычисляет местоположение.

Существует теплый старт – в этом случае альманах является актуальным, а эфемериды нужно обновить. Времени на это затрачивается немного больше, чем на горячий старт, но значительно меньше, чем на холодный.

Ограничения на покупку и использование самодельных модулей GPS

Российское законодательство требует от производителей уменьшать точность определения приемников. Работать с незагрубленной точностью может производиться только при наличии у пользователя специализированной лицензии.

Под запретом в Российской Федерации находятся специальные технические средства, предназначенные для негласного получения информации (СТС НПИ). К таковым относятся GPS трекеры, которые используются для негласного контроля над перемещением транспорта и прочих объектов. Основной признак незаконного технического средства – его скрытность. Поэтому перед приобретением устройства нужно внимательно изучить его характеристики, внешний вид, на наличие скрытых функций, а также просмотреть необходимые сертификаты соответствия.

Также важно, в каком виде продается устройство. В разобранном виде прибор может не относиться к СТС НПИ. Но при сборе готовое устройство уже может относиться к запрещенным.

Журнал "Капитан-Клуб" № 2, 1999
Копия статьи публикуется с согласия редакции.

Эта публикация еще раз затрагивает тему GPS. Статьи в ряде отечественных изданий, к сожалению, не дают достаточной информации об организации системы, о степени точности показаний приемников. Многие судоводители задаются вопросом: можно ли слепо доверять приборам или их следует воспринимать только как дополнение к традиционным методам определения места? И почему яхты, оснащенные этими самыми современными средствами навигации, иногда оказываются на камнях далеко от намеченного курса? Данная статья - это попытка обобщить информацию, которая, по мнению автора, может помочь пользователям GPS.

"Все навигационное оборудование производится и продается лишь как средство помощи в навигации. Пользователь сам ответственен за совершенствование своего навигационного мастерства, независимо от любого, приобретенного им оборудования".
(Из Руководства по эксплуатации.)

Как система GPS устроена и работает

Разработки концепции NAVSTAR GPS (NAVigation Satellite Timing And Ranging Global Positioning System) начались 1973 г. Самые современные на тот момент радионавигационные системы (РНС), наземные Loran-C и Omega и спутниковая (СНС) Transit перестали удовлетворять требованиям военных в отношении точности, всепогодности, круглосуточной работы и зоны охвата. В феврале 1978 г. был запущен первый экспериментальный спутник GPS. О гражданском применении GPS широко заговорили в 1983 г. после катастрофы южнокорейского авиалайнера, сбитого над Курильскими островами. Президент Рейган провозгласил, что система GPS должна стать доступной каждому.

Система GPS предоставляет два вида услуг: SPS - стандартной точности (для гражданских пользователей) и PPS - высокой точности (для военных). При разработке системы, точность SPS в 100 м считалась достаточной для гражданских целей. По мере испытаний оказалось, что подсистема SPS точнее, чем предполагалось. Для сохранения преимущества высокой точности для военных, с марта 1990 г. был введен режим "ограничения доступа" SA (Selective Availability), искусственно снижающий точность гражданского GPS.

Боевое крещение система получила в ходе операции "Буря в пустыне". К тому времени еще не было запущено достаточно спутников. Потребовалось маневрировать имеющимися, для обеспечения круглосуточного покрытия зоны боевых действий. Интересно, что в сентябре 1989 г. фирма "MAGELLAN SYSTEMS CORP." Выпустила приемник GPS -"NAV-1000M" - для применения военных целях, и была выбрана 10 странами-членами НАТО в качестве поставщика приемников. Более 3000 приемников типа "NAV-1000M" наряду с прочими использовались США и Силами Коалиции во время войны в Персидском заливе. Сухопутные подразделения и морская пехота были тогда, в основном, укомплектованы носимыми одноканальными приемниками, аналогичными гражданским, и не способными принимать сигналы высокой точности. Было решено отключить на время боевых действий режим SA, что давало возможность пользования высокой точностью также и противнику.

К середине 1993 г. на орбитах находились уже 24 спутника, достаточно для непрерывной навигации в любой точке Земли. Об окончательном вводе системы в эксплуатацию объявили только в июле 1995 г.

В 1996 г. Президент Клинтон подтвердил, что система, работающая на деньги американских налогоплательщиков, и в следующем столетии будет предоставлять свои услуги гражданским пользователям во всем мире. Объявлено, что до 2006 г. режим "ограничения доступа" будет устранен. Президент США сохраняет за собой право снижать точность сигналов GPS в случае угрозы национальной безопасности.

Система GPS состоит из трех частей: космической, наземной и пользовательского оборудования.

Космическая часть - это 24 спутника, вращающихся по 6 орбитам. Наклон орбит к земному экватору - 55 град., угол между плоскостями орбит - 60 град. Высота орбит 20180 км., период обращения - 12 ч. Мощность спутникового передатчика 50 Вт. С вводом в строй усовершенствованных спутников, частые потери сигналов остались в прошлом. Спутники GPS способны, передвигаясь заполнять бреши в системе (если один из них вышел из строя). Важным элементом спутника являются атомные часы, рубидиевые и цезиевые, по четыре на каждом. Спутники идентифицируются номером PRN (Pseudo Random Number), который отображается на приемнике GPS.

Наземная часть GPS состоит из 4 станций слежения, расположенных на тропических островах. Они отслеживают видимые спутники и передают данные на Главную станцию (MCS) управления и контроля на авиабазе в Колорадо-Спрингс для обработки на сложных компьютерных программных моделях. Эти наборы данных называются эфемеридами. Через наземные станции данные передаются обратно на спутники, а затем спутник передает их приемникам GPS.

Сигналы GPS

Все частоты в системе GPS кратны основной частоте часов спутника, 10.23 МГц. Спутник передает сигналы в диапазонах L1=1575.42 МГц и L2=1227.6 МГц. Сигналы содержат два вида информации: "навигационные сообщения" и "псевдослучайный код" (Рис. 1). Код представляет собой последовательность единиц и нулей, на первый взгляд случайную, но изменяющуюся по сложному закону. Псевдослучайный код содержит номер спутника (PRN).

Существуют два вида кода. Гражданские GPS используют C/A (Coarse Acquisition) - код, передаваемый только на частоте L1. Один цикл передачи кода состоит из 1023 бит и повторяется 1000 раз(сек. Военные GPS высокой точности используют P-код (Precise), который передается на обеих частотах, L1 и L2.

Навигационные сообщения передаются со скоростью 50 бит/сек дополнительной модуляцией несущей частоты под псевдослучайным кодом. Каждое сообщение состоит из 25 "порций" (страниц) по 1500 бит. Полный цикл передачи всего сообщения занимает 12.5 мин. Навигационное сообщение включает в себя "эфемеридные данные" и "данные альманаха"; данные о времени в системе GPS и коэффициенты для его пересчета во всемирное время, ключевые слова к P-коду и специальные сообщения. Эфемериды - это данные об исправности спутника и параметры его орбиты - коэффициенты, с помощью которых приемник вычисляет текущее и будущее положение спутника, используя математическую Кеплеровскую модель. Кроме того, эти сообщения содержат коэффициенты поправки к спутниковым часам и к задержке распространения сигнала в ионосфере для пользователей C/A-кода. Альманах - это данные об эфемеридах и состоянии остальных спутников в системе (хранятся в памяти приемника). Благодаря этим данным приемник всегда "знает", где находятся все спутники системы, даже когда он их не видит, и какие спутники лучше использовать для определения координат.

Как приемник GPS определяет свое положение?

Система GPS использует способ определения по дальности до ориентиров-спутников, определяемой с помощью псевдослучайного кода. Для этого приемник генерирует свой внутренний код в то же самое время, чтобы он точно дублировал код спутника. Приемник сравнивает разницу во времени между приемом соответствующей части спутникового кода с такой же частью своего кода. Зная сдвиг по времени и скорость распространения радиоволн, приемник получает расстояние до спутника, называемое псевдодальностью, и по двум расстояниям может определить свое точное положение (Рис 2.) Почему "псевдо"? Проблема в том, чтобы убедиться, что псевдослучайные коды приемника и спутника сгенерированы одновременно . Со стороны спутника тут сложности нет. Часы спутника очень точные и корректируются по сигналам с Земли. Часы приемника менее точны, кроме того, задержки распространения сигнала в ионосфере, тропосфере и т.д. создают суммарную ошибку (Рис.3). Для ее исправления GPS использует измерение дальности от третьего спутника.

При определении двухмерных координат по двум окружностям равных расстояний приемник "не знает", находится ли он на самом деле на них или нет. Например, если часы приемника отстают, истинная позиция будет ближе, но в каждом случае пропорционально ближе к каждому из спутников. Вводя линию положения от 3-го спутника, мы можем получить однозначный результат. Приемник GPS имеет программу, которая берет информацию для трех линий положения и решает её алгебраически. Эти вычисления дают решение трех уравнений для трех неизвестных: долготы, широты и ошибки часов. Вот почему для определения двухмерных координат необходимы как минимум 3 спутника, 4 - для трехмерных.

О точности

Пользователя GPS интересует реальная точность системы; другими словами, насколько близко можно пройти от какой-то навигационной опасности, полагаясь только на приемник GPS? К сожалению, однозначного ответа на этот вопрос не существует. Это связано со статистическим характером ошибки GPS.

Причины ошибок GPS

Режим SA
В мирное время добавляет ошибку в несколько десятков метров; в особых случаях могут вводится ошибки в сотни метров. (Правительство США отвечает за работоспособность системы перед миллионами пользователей, и можно рассчитывать, что столь значительное снижение точности не будет введено без достаточно серьезных причин.) Достигается путем хаотического сдвига времени передачи псевдослучайного кода. Ошибки, возникающие от SA, случайные и равновероятные в каждую сторону. SA влияет также на точность курса и скорости по GPS. По этой причине неподвижный приемник часто показывает слегка изменяющиеся скорость и курс. Так что, в некоторой степени, оценить степень воздействия SA можно по периодическим изменениям курса и скорости по GPS.

Задержки распространения радиоволн в ионосфере и тропосфере
Скорость радиоволн в пустоте постоянна, но при входе сигнала в атмосферу она изменяется. Для сигналов от разных спутников задержка времени различна. Ошибки распространения радиоволн зависят от состояния атмосферы и высоты спутника над горизонтом: чем ниже спутник, тем больший путь проходит его сигнал через атмосферу и тем больше искажения. Большинство приемников исключают использование сигналов от спутников с возвышением над горизонтом менее 7,5. (Еще атмосферные помехи зависят от времени суток: после захода солнца плотность ионосферы и ее влияние на радиосигналы уменьшается (явление, хорошо знакомое радистам-коротковолновикам).

Влияние отраженного сигнала (Multypath)
Кроме прямого сигнала от спутника приемник также может принять сигналы, отраженные от скал, зданий, проходящих судов. Если прямой сигнал закрыт от приемника надстройками или такелажем, отраженный сигнал может быть сильнее. Этот сигнал проделывает более длинный путь, и приемник "думает", что находится дальше от спутника, чем на самом деле. Эти ошибки много меньше 100 м, поскольку только близко расположенные предметы способны дать достаточно сильное эхо.

Спутниковая геометрия
Зависит от расположения относительно приемника спутников, по которым определяется позиция. Если приемник "поймал" четыре спутника, и все они находятся на севере, то спутниковая геометрия плохая. Результат - ошибка до 90-150 м. или даже невозможность определения координат. (Все четыре измерения - из одного и того же направления, и область их пересечения, слишком велика; рис.4)

С теми же 4-мя спутниками точность намного возрастает, если они расположены равномерно по сторонам горизонта. В этом случае, даже с SA, точность достигает 30 м. и выше.

Спутниковая геометрия измеряется фактором PDOP (Position Dilution Of Precision) или HDOP (Horizontal Dilution Of Precision). Идеальному расположению спутников соответствует PDOP=1; большие значения говорят о плохой спутниковой геометрии. PDOP используется как множитель для других ошибок. Каждая измеренная приемником псевдодальность имеет свою погрешность, зависящую от атмосферных помех, ошибок в эфемеридах, SA, отраженного сигнала и т.д. Так, если предполагаемые значения этих ошибок в сумме составляют 50 м. и PDOP=1,5, то ожидаемая ошибка определения места будет 75 м.

Приемники GPS по-разному представляют информацию для оценки точности с использованием PDOP. Кроме HDOP, используется GQ (Geometric Quality, величина, обратная HDOP) или качественная оценка в баллах. Многие современные приемники показывают EPE (Estimated Position Error - ожидаемую ошибку позиции) непосредственно в единицах дистанции. EPE учитывает расположение спутников и прогноз погрешности сигналов для каждого спутника в зависимости от SA, состояния атмосферы, ошибок спутниковых часов, передаваемый в составе эфемеридной информации.

Спутниковая геометрия также становится проблемой при использовании приемника GPS внутри транспортных средств, в густом лесу, в горах, вблизи высоких зданий. Когда сигналы от отдельных спутников блокированы, положение оставшихся спутников определит, насколько точной будет позиция GPS (и их число покажет, может ли позиция вообще быть определена).

Хороший приемник GPS показывает не только, какие спутники используются, но и где они находятся (азимут и возвышение над горизонтом), так что Вы можете определить, затруднен ли прием данного спутника. На рис.5 показан пример плохого расположения спутников на дисплее GPS: спутники № 22, 01 и 09 не видны. В такой ситуации можно ожидать больших ошибок долготы; широта, вероятно, будет определена достаточно точно.

Количественная оценка точности

Простой тест, чтобы наглядно увидеть точность Вашего приемника GPS - периодическая запись показаний неподвижного приемника за достаточно большой период времени. Например, раз в 2 мин. в течении суток. Это проще сделать, если есть плоттер или компьютер, подключенный к GPS. Проложив полученные координаты на планшете, получаем картинку, подобную рис. 7.

Считается, что распределение позиции GPS достаточно хорошо соответствует нормальному (Гауссову) закону. То есть для большего числа измерений смещение или систематическая ошибка равна нулю. Гражданская GPS обеспечивает точность без SA 15 метров RMS, а в режиме SA 2DRMS=100 м. Что это означает? RMS (Root Mean Square) - квадратный корень из суммы квадратов отклонений по долготе и широте, разделенный на число измерений. В круг радиусом RMS попадает 65% точек. 2DRMS означает удвоенное RMS. Для пространственного двухмерного распределения Гаусса в интервал плюс-минус 2DRMS попадает от 95% точек, если распределение эллиптическое (различные ошибки по широте и долготе), при круговом распределении - до 98%. Распределение позиции GPS становится эллиптическим, если небо с одной из сторон закрыто для сигналов.

GPS и "Проблема-2000"

Руководство GPS обещает, что все наземные службы будут полностью подготовлены, и на передаче спутниковых сигналов эта проблема не отразится. Другое важное событие в системе GPS, известное как "GPS system time rollover", произойдет в полночь с 21 на 22 августа 1999 г., когда завершится 1024-недельный цикл, по которому изменяются навигационные сообщения спутников, и отсчет начнется заново.

Изготовители большинства современных приемников заявляют о защищенности своих изделий от этих проблем, но для большей безопасности, владельцам старых моделей GPS рекомендуется проконсультироваться у поставщиков. Автор полагает, что после полуночи 22 августа и 31 декабря 1999 г. (по Гринвичскому времени) следует единовременно убедится в правильности показаний GPS по другим средствам навигации. Особенно, если приемник покажет неправильную дату или время.

Заключение

Большую часть времени GPS обеспечивает высокую точность, в пределах нескольких десятков метров, что вполне достаточно для навигации в обычных условиях. Но для пользователя важно, что в отдельные моменты возможны отклонения до кабельтова и больше. Вероятность таких ошибок крайне мала, но пренебрегать ею не следует. Всегда рекомендуется пользоваться более чем одним средством навигации. Принимая решение о степени доверия к показаниям GPS, можно учесть следующие признаки:

• информация приемника о расположении спутников. Максимальные ошибки возможны при неблагоприятном сочетании наибольших значений факторов, влияющих на точность и, в первую очередь, спутниковой геометрии. На Вашем приемнике, обычно показывавшем EPE 20-40 м, появилось 60 м и более.);
• видимость неба над антенной приемника;
• изменение позиции GPS за предшествующий период (прокладка, выполняемая в крупном масштабе).
• соответствие курса и скорости по GPS показаниям компаса и лага.
• наличие предметов, отражающих сигнал.

Дополнительно уместно сказать, что координатные системы карт (Map Datum) связаны с разными моделями земного эллипсоида, используемыми при построении карт в различных странах. Разница между ними может достигать 500 м. При работе с GPS и картой пользователь должен учитывать это и делать соответствующие поправки.

И последнее. До этого рассматривалась только точность показаний самого приемника GPS. А максимальные ошибки навигации с использованием GPS суммируются из максимальных ошибок всей цепочки: спутники - приемник - пользователь - карта - пользователь.

За помощь в подготовке материала автор благодарит фирмы "НАВИКОМ", "ТРАНЗАС МАРИН", "АЛЬТАИР" и мистера Питера Дана, (Университет штата Техас), (www.host.cc.utexas.edu.ftp?pub/grg/gcraft/notes/gps/gps.html).

Публикация подготовлена по материалам сети Интернет и Dahl, Bonnie. The User"s Guide to GPS - The Global Positioning System. Richardson Marine Publishing, 1993.

Александр Самойлов

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.

ГЛОБАЛЬНОГО ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМА (англ. Global Positioning System, сокр. GPS; иногда называется ГСМ — глобальная система местоопределения), радиосистема определения местоположения, использующая навигационные спутники. Такие системы обеспечивают круглосуточную информацию о трехмерном положении, скорости и времени для пользователей, обладающих соответствующим оборудованием (GPS-приемник; Glospace) и находящихся на или вблизи земной поверхности (а иногда и вне ее). Первой системой GPS, широко доступной гражданским пользователям, стала NAVSTAR, обслуживаемая Министерством обороны США. Своя система была разработана и в СССР, но использовалась исключительно для военных целей (до 1991 использование GPS на территории СССР было вообще запрещено, кроме военных). Первый спутник ГЛОНАСС был выведен Советским Союзом на орбиту 12 октября 1982. 24 сентября 1993 года система была официально принята в эксплуатацию. Необходимое число спутников, 24, было достигнуто к 1995, но в дальнейшем из-за экономических и политических трудностей орбитальная группировка сократилась. В 2007 начато коммерческое использование отечественной системы ГЛОНАСС (сокр. от Глобальная навигационная спутниковая система). Находится в стадии разработки система «Галилео», развиваемая странами ЕС.

Американская система NAVSTAR началась с запуска первого спутника в феврале 1978.

Для получения информации о скорости большинство навигационных приемников используют эффект Доплера. Систему образуют 24 спутника, находящиеся на точно заданных орбитах. Они передают непрерывные сигналы приемникам на суше, в море, в воздухе и с космосе. GPS служит для определения местоположения, навигации, картографирования, прокладки маршрутов, отсчета времени и синхронизации событий. Орбиты спутников располагаются примерно между 60 градусами северной и южной широты. Этим достигается то, что сигнал от хотя бы некоторых спутников может приниматься повсеместно в любое время.

Приемное устройство GPS использует спутниковые сигналы для измерения расстояния от каждого от четырех (или больше) спутников, которые в этот момент находятся в его поле зрения. Альманах (астрономический календарь) в приемном устройстве, который обновляется корректирующими сигналами со спутников, определяет, где именно находятся сейчас спутники. Зная положение четырех спутников и расстояние до каждого из них, приемник может вычислить скорость своего движения. Стандартные приемники могут фиксировать местоположение с точностью в несколько метров и время — до 1 миллионной секунды. Новейшие приемники имеют точность до нескольких сантиметров.

GPS обеспечивает единый мировой стандарт для измерения пространства и времени. Ее точность позволяет самолетам летать ближе друг к другу, по более прямым маршрутам, повышает безопасность полетов.

Сигнал NAVSTAR 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. Количество PRN-номеров больше, чем число спутников (24), т. к. это облегчает обслуживание GPS-сети: новый спутник может быть запущен, проверен и введен 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. 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.

Двадцать четыре спутника вращаются вокруг Земли на высоте ок. 20 тыс. км. На каждой из шести орбитальных плоскостей располагается по четыре спутника. Несмотря на то, что орбиты точно выверены, ошибки все же случаются и спутники передают на приемники GPS навигационные поправки для обновления альманахов. Навигационные поправки сообщаются спутникам наземными станциями, которые непрерывно следят за их местоположением и скоростью.

Определение дальности

Приемник GPS определяет свое положение путем вычисления расстояния до каждого из четырех спутников, точное местоположение которых известно. Каждый спутник передает сигналы; на то, чтобы они достигли приемника, требуется определенное время. Встроенные часы приемника синхронизированы с атомными часами спутников, что позволяет вычислять время прохождения сигналов. Расстояние до каждого спутника вычисляется по времени прохождения сигнала и скорости распространения радиоволн. С помощью метода, называемого триангуляцией, измеренные расстояния объединяются с данными о положении спутников, и это позволяет определить местоположение приемника.

GPS (Global Positioning System, система глобального позиционирования) — система определения местоположения объектов, основанная на использовании искусственных спутников Земли. Точность системы от 2 до 100 м в зависимости от вида терминального оборудования. GPS-navigators — широкий по практическому назначению и конструктивному исполнению класс устройств, предназначенных для определения местоположения объектов и определения параметров их движения непосредственно с мест их нахождения или на расстоянии. В основе принципов их построения лежит использование GPS, вычислительной техники и телекоммуникационных систем и сетей, в первую очередь Интернета. GPS-навигаторы нашли распространение в военном деле, на всех видах транспорта и в быту. Достижения микроэлектроники и вычислительной техники позволили сократить размеры терминального оборудования, устанавливаемого на подвижных объектах при одновременном повышении их функциональных и эксплуатационных характеристик. В результате появились различные модификации, предназначенные для персонального использования вне транспортной среды (непосредственно человеком), в частности, устанавливаемые на КПК и ноутбуках. К малогабаритным GPS-навигаторам можно отнести GPS-локаторы и часы-навигаторы. GPS-locators обеспечивают контроль (в том числе круглосуточный) местонахождения объектов слежения, например, детей, условно осужденных лиц, людей, страдающих болезнью Альцгеймера.

ГЛОНАСС (Глобальная навигационная спутниковая система) — российский аналог GPS. В июне 2005 года постановлением правительства РФ принято решение о поэтапном (до 1 января 2009 года) оснащении аппаратурой ГЛОНАСС (или комбинированными средствами ГЛОНАСС/GPS) космических аппаратов, воздушных, морских и речных судов, автомобильного и железнодорожного транспорта, используемого для перевозки пассажиров, специальных или опасных грузов, а также приборов и оборудования, применяемых при проведении геодезических и кадастровых работ.

Часы-навигаторы — часы, снабженные GPS-приемниками. Часы-навигаторы имеют габариты обычных наручных часов, в них реализованы функции определения местоположения (долгота и широта), отправная точка пути и расстояние до места движения, текущая скорость, промежуточные пункты, направления между ними. Часы-навигаторы могут связываться с компьютером для передачи и обработки GPS-данных, импортировать и просматривать растровые изображения карт (в форматах JPEG и BMP), планировать перемещение по заданному маршруту.

Первоначально GPS была создана министерством обороны США, предназначалась для военных нужд и имела название Navstar (Navigaion System with Time and Ranging — навигационная система с возможностью определения времени и расстояния). Система Navstar имела цель обеспечить военных возможностью определять координаты объекта в любой точке поверхности Земли. В дальнейшем было разрешено использование системы в коммерческих целях. До 2000 года все пользователи системы делились на две категории: привилегированные (военные) и обычные (гражданские). Для гражданских пользователей GPS в сигнале спутников была доступна лишь часть информации, которая позволяла определять координаты с ошибкой до нескольких десятков или даже сотен метров, в то время как для военных система работала с максимальной точностью — погрешность составляла не более нескольких метров. С 2000 года ограничения для гражданских пользователей были отменены.

В период с 1978 по 1994 год на орбиту высотой около 20 тысяч км были выведены 24 основных спутника, обеспечивающих функционирование системы GPS. В дальнейшем было добавлено еще четыре резервных спутника. За работой системы следят четыре наземные станции, в обязанности которых входит корректировка навигационной информации и часов в спутниках, а также контроль работоспособности каждого из них. Коммерческая эксплуатация GPS началась в 1995 году. Владельцем всех спутников и наземных сооружений, несмотря на коммерциализацию GPS, является министерство обороны США.

Спутники излучают фазомодулированный сигнал на двух частотах — L1 на 1575.42 МГц и L2 на 1227.60 МГц. Первая предназначена для гражданских пользователей, вторая — для военных. Информация, передаваемая спутником, делится на три категории: C/A-код, P-код и Y-код. C/A-код (Coarse Acquisition — грубое приближение) позволяет оценить местонахождение с точностью до 100 м. P-код (Precision code — прецизионный код) позволяет определять положение с точностью до нескольких метров. Y-код представляет собой шифрованную версию P-кода. Кодами типа C/A и P модулируется частота L1, частота L2 модулируется либо кодом P, либо кодом Y (в случае форс-мажорных обстоятельств, когда необходимо запретить использование сервиса GPS гражданским пользователям или противнику). К сигналу с частотой L1 подмешивается так называемое навигационное сообщение (Navigation message) — блок информации о текущем состоянии спутника (время, координаты). Навигационное сообщение имеет размер 25x1500 бит и передается блоками по 300 бит со скоростью 50 бит/с. Полное навигационное сообщение принимается за 12,5 минут.

В системе GPS абонентский терминал представляет собой многоканальный приемник, имеющий возможность одновременно принимать сигнал с нескольких спутников. GPS-терминал — абсолютно пассивное устройство, не имеющее собственного передатчика. Принцип работы системы основан на сравнении временных задержек между принятыми сигналами с минимум трех (обычно — четырех-восьми) спутников и вычисление координат по удаленности от нескольких точек с известными координатами (то есть спутников). При этом приемник, рассчитав расстояние до всех спутников, сигнал которых он уверенно принимает, строит несколько сфер и по точкам пересечения этих сфер вычисляет приблизительное собственное местоположение на основе навигационной информации о координатах спутников, также приходящей с сигналом.

Для увеличения точности определения координат (например, в геодезии и картографии точность в несколько метров может оказаться недостаточной) используется метод дифференциального GPS. При этом, помимо спутникового сигнала, приемник использует сигнал стационарного, мощного передатчика, положение которого известно и стабильно. Это позволяет нивелировать проблемы позиционирования, так как можно вычислить текущую ошибку системы, сравнив реальные координаты стационарного передатчика с данными, полученными через систему GPS.