GPS основні поняття та терміни

Рубрикатор

наші новини

Підписка на новини

Маханьков Олександр

Починаючи з 60-х років XX століття збройні, військово-морські та військово-повітряні сили США незалежно одна від одної проводили роботи над створенням радіонавігаційних систем, що дозволяють незалежно від погодних умов цілодобово точно визначати координати об'єктів на Землі.

В 1973 дані програми об'єднали в одну, і військово-повітряні сили США призначили керуючими в розробці системи. Це стало початком історії побудови системи NAVSTAR (Navigation Satellite Timing and Ranging) - глобальної системи визначення місцезнаходження (Global Positioning System). З 1983 року, після того, як до її інформації отримали доступ цивільні особи, а в 1991 році було знято обмеження на продаж GPS-обладнання в країни колишнього СРСР, поширення набула широко відома абревіатура GPS.

Спочатку планувалося, що система служитиме для високоточного наведення бойових ракет, а навігаційні функції системи були відсунуті на другий план.

Перший супутник системи було запущено в 1978 році, а основна частина супутників системи була запущена на орбіти в середині 80-х років. 1994-го на орбіту було поміщено супутник, що дозволив завершити побудову системи з 24 супутників.

Період знаходження супутника на орбіті приблизно дорівнює 10 років. Супутники, що відпрацювали свій термін, планомірно виводять із системи і утилізують.

В Україні діє аналогічна система супутникової навігації ГЛОНАСС (ГЛОбальна навігаційна супутникова система), принцип роботи якої багато в чому подібний до GPS, точність визначення координат якої, проте, помітно менше.

Супутниковірадіонавігаційні системи - це всепогодні системи космічного базування. Вони дозволяють визначати поточні розташування рухомих об'єктів та їх швидкість, а також здійснювати точну координацію часу.

До складу системи входять:

сузір'я ШСЗ (космічний сегмент);
мережу наземних станцій стеження та управління (сегмент управління);
GPS-приймачі (апаратура споживачів).

Передавальна апаратура випромінює синусоїдальні сигнали на двох частотах: L1 = 1575,42 МГц та L2 = 1227,60 МГц. Перед цим сигнали модулюються псевдовипадковими цифровими послідовностями (це процедура називається фазової маніпуляцією). Причому частота L1 модулюється двома видами кодів: C/A-кодом (код вільного доступу) і P-кодом (код санкціонованого доступу), а частота L2 - тільки P-кодом. Крім того, обидві несучі частоти додатково кодуються навігаційним повідомленням, в якому містяться дані про орбіти ШСЗ, інформація про параметри атмосфери, виправлення системного часу. Частота L1 варта широкого кола громадянських споживачів, а доступом до сигналів частоти L2 переважно отримують військові і федеральні служби США. Точність автономного визначення відстані P-коду приблизно на порядок вище, ніж C/A-коду.

Ці параметри розташування угруповання космічних апаратів вибрано не випадково. У будь-який момент часу в будь-якій точці земної кулі можна отримати сигнали як мінімум від 3 супутників, що є необхідною умовою визначення координат. Для більш точного позиціонування необхідний сигнал від четвертого супутника.

Наземний сегмент системи представляють контрольно-вимірювальні станції для моніторингу супутників. Вони розташовані на Кваджалейні, на острові Вознесіння, наГаваях, Дієго-Гарсія та Колорадо-Спрінгс. Також у системі працюють три наземні антени (острів Вознесіння, Дієго-Гарсія та Кваджалейн). Управління здійснюється на центральній станції, розташованій на авіабазі у Шрівері, Колорадо (Schriever Air Force Base, Colorado).

Приймальні пристрої – GPS-навігатори – працюють у комплексі із супутниками. GPS-навігатор отримує з супутників таку інформацію: "псевдовипадковий код" (PRN - pseudo-random code), "ефемеріди" (ephimeris) і "альманах" (almanach). За наявністю цих даних у GPS-навігаторах визначають вид старту або, по-іншому, ініціалізації (під стартом мається на увазі початок процесу отримання даних хоча б з трьох супутників, що достатньо для 2D-навігації). Кожен супутник передає лише власну ефемеріду, тоді як альманах передається кожним супутником про всіх супутників відразу. Стартувати приймач може у різних режимах. «Холодний старт» відбувається в тому випадку, коли інформація про альманаху та ефемеріди сильно застаріла. Дані можуть загубитися у разі перенесення GPS-приймача на велику відстань, або якщо годинник приймача збився. Як правило, холодний старт займає від декількох до 45 хвилин. «Теплий старт» — альманах зберігся, але ефемериди вже втрачені і годинник приймача ще «знає» точний час. Такий старт займає менше часу, від 30 секунд до 10-15 хвилин, залежно від умов прийому. У цьому випадку приймачу GPS необхідно отримати дані тільки ефемерид. І, нарешті, найшвидший старт – «гарячий». Займає від кількох секунд до 5 хвилин. "Гарячий старт" може бути здійснений, коли в навігаторі є і альманах, і ефемеріди.

Таким чином, здебільшого час між включенням та початком видачі координат залежить від того, як давно було вимкнено пристрій, а також відчутливість приладу; модель приймача впливає швидкість захоплення супутників меншою мірою.

Функціонування апаратури споживача можна зрозуміти із узагальненої схеми (рис. 2).

Основне повідомлення, що надсилається з кожного навігаційного супутника GPS, формується у вигляді кадру. Потік навігаційних даних передається зі швидкістю 50 біт/с. Тривалість інформаційного символу "0" або "1" дорівнює 20 мс. Кадр складається з п'яти підкадрів, причому четвертий і п'ятий підкадри розділені на 25 сторінок кожен. Підкадри з першого по третій, а також кожна сторінка четвертого та п'ятого підкадрів містять по 300 символів, які поділені на 10 слів по 30 символів у слові.

У таблиці 1 показано інформацію, що передається з навігаційного супутника.

Альманах, що містить інформацію про параметри орбіт кожного із супутників системи, наведено у таблиці 2.

Ефемериди є уточненими параметрами руху супутників. Спираючись на дані альманаху, GPS-приймач «сканує» небо і при отриманні даних від супутника уточнює його ефемериди.

Щоб зрозуміти, як GPS-навігатор визначає координати, необхідно мати уявлення про систему координат, в якій відбувається рух супутників та визначення координат кінцевих споживачів.

Спостерігач Землі може уявити небесну сферу, спроектовану на площину те щоб центр збігався з місцем розташування спостерігача.

Саме в цій проекції користувачу GPS-навігатором показується зразкове розташування супутників (рис. 3).

Як видно з малюнка (знімок з екрану GPS-навігатора), супутників в межах видимості знаходиться дев'ять (знімок проводився при включеному режимі симуляції, тобто коли навігатор не ловить сигналисупутників, а моделює можливі ситуації). Насправді супутників на проекції сфери видно трохи більше восьми, а сигнали приймаються максимум із чотирьох-шести. Забарвлений стовпчик над номером супутника вказує на стійкий прийом сигналів, а висота стовпчика дозволяє оцінити якість прийому. У момент, коли GPS-навігатор починає отримувати інформацію з супутника, над номером з'являється незафарбований прямокутник. Зафарбовується він при уточненні параметрів орбіти супутника та початку отримання даних, на основі яких йде безпосередній розрахунок координат користувача.

Дані супутникових систем та параметри орбіт супутників розраховуються щодо центру мас Землі. У побутових GPS-навігаторах використовується єдина система координат, найпопулярніша в системах цивільної авіації WGS-84.

Глобальна система координат WGS-84 визначена в такий спосіб.

Початок координат 0 розташований у центрі маси Землі;

вісь 0Х - перетин площини вихідного меридіана WGS-84 та площини екватора;
вісь 0Z - спрямована на Північний полюс Землі;
вісь 0У - доповнює систему до правої системи координат.

Вихідний меридіан WGS-84 збігається з нульовим меридіаном, визначеним Міжнародним бюро часу (BIN).

За наявності сигналу від одного супутника (№1), відомої швидкості поширення електромагнітного сигналу в просторі (300 000 км/с) та часу, за який сигнал дійшов від супутника до GPS-приймача, стало можливим розрахувати геометричне місце точок знаходження приймача сигналу (ім буде сфера з радіусом, що дорівнює відстані від супутника до приймача, в центрі якої знаходиться супутник).

Якщо GPS-навігатор почав приймати сигнали від другого супутника, то аналогічно першому випадку будуєтьсясфера довкола супутника №2. Оскільки GPS-приймач повинен перебувати на обох сферах відразу, то тепер будуємо перетин двох сфер. Кожна точка кола, що вийшло, може бути місцем знаходження приймача в просторі.

Нарешті, коли приймач упіймає сигнал від супутника №3, будується ще одне сфера, при перетині з колом вона дає дві точки. Одна з цих точок зазвичай має досить неправдоподібне розташування, і в процесі обчислення за алгоритмом вона відкидається. Таким чином, ми отримуємо результат: широту та довготу.

Але якщо враховувати величезну швидкість поширення електромагнітної хвилі, помилка в розрахунках на тисячні частки секунди може призвести до досить серйозних похибок у обчисленні відстані до супутника, а потім у побудові сфер і визначенні координат. Таким чином ми підібралися до одного важливого нюансу — для коректного визначення координат необхідний четвертий супутник.

Після побудови трьох сфер приймач починає маніпулювати із тимчасовою затримкою. При кожному новому зрушенні часу приймача будуються нові сфери, точка їх перетину «розпливається» в трикутник. Тобто сфери перестають перетинатися, а розташування GPS-приймача може з певною ймовірністю бути в будь-якій з точок трикутної області. Потім тимчасові зрушення продовжуються доти, доки всі три сфери знову не перетнуться в одній точці. Отримуємо досить точні координати. І чим більше супутників «бачить» навігатор, тим точніше ми можемо скоригувати час з збільшенням точності позиціонування, що випливає з цього. За наявності четвертого супутника починає працювати так звана 3D-навігація, і ми маємо можливість визначити висоту над рівнем моря, швидкість пересування по поверхні та швидкість вертикального переміщення.

Трохи про точність. При створенні системи до неї спеціально внесли так званий режим S/A (Selective Availability — обмежений доступ). Цей режим розроблений для того, щоб не дати можливому противнику тактичної переваги у визначенні розташування за допомогою GPS. Принцип дії даного режиму полягає в штучному неузгодженні годинника супутника і приймача. Тому навіть за хорошого прийому сигналів кількох супутників точність не перевищувала 100 метрів. Однак у 2000 році цей режим було скасовано, і офіційно система GPS почала давати можливість визначати координати точніше. Як правило, вказують точність 20...30 метрів. Якщо використовувати спеціальні алгоритми пост-обробки, точність можна підвищити до кількох міліметрів, але це вміють робити геодезичні системи. Для роботи з такими системами потрібен сертифікат та дозвіл, а їхня вартість перевищує вартість побутових навігаторів у десятки разів.

На точність визначення координат істотно впливають помилки, що виникають під час виконання процедури вимірів. Природа цих помилок різна.

Неточне визначення часу. Вносить похибку близько 1 метра.
Похибки обчислення орбіт супутників (уточнення ефемерид). Вносять похибку близько 1 метра.
Іоносферні затримки сигналу. Вносять похибку до 10 метрів.
Багатопроменеве відбиття від високих будівель, інших об'єктів. Вносить похибку до 2 метрів.
Геометричне розташування супутників.
Тропосферні затримки сигналу.

Література

Лекції доктора технічних наук Валерія Вікторовича Коніна. http://www.kvantn.com.ua/resourse/All/lections/lect_cont.html
Інформація із сайту http://www.datalogger.ru/gps/
Інформація із сайтуhttp://www.ixbt.com/mobile/gps.html
Інформація на форумі сайту http://www.gpsinfo.ru/
Інформація із сайту http://www.minsvyaz.ru.

Якщо Ви помітили якісь неточності у статті (відсутні малюнки, таблиці, недостовірну інформацію тощо), прохання повідомити про це нам. Будь ласка, вкажіть посилання на сторінку та опис проблеми.