У статті розглянуто принцип роботи, склад і особливості системи супутникового позиціонування GPS (англ. Global Positioning System).
Навігаційна система Global Positioning System (GPS) є частиною комплексу NAVSTAR, який розроблений, реалізований і експлуатується Міністерством оборони США. Розробка комплексу NAVSTAR (NAVigation Satellites providing Time And Range - навігаційна система визначення часу і дальності) була розпочата ще в 1973 році, а вже 22 лютого 1978 був проведений перший тестовий запуск комплексу, а в березні 1978 року комплекс NAVSTAR почали експлуатувати. Перший тестовий супутник був виведений на орбіту 14 липня 1974 року народження, а останній з 24 необхідних супутників для повного покриття земної поверхні, був виведений на орбіту в 1993 році. Цивільний сегмент військової супутникової мережі NAVSTAR прийнято називати абревіатурою GPS, комерційна експлуатація системи в сьогоднішньому вигляді почалася в 1995 році.
Через більш 20-ти років з моменту тестового запуску системи GPS і 5-ти років з моменту початку комерційної експлуатації Глобальної системи позиціонування GPS, 1 травня 2000 року, міністерство оборони США скасував особливі умови користування системою GPS, що існували до тих пір. Американські військові вимкнули перешкоду (SA - selective availability), штучно знижує точність цивільних GPS приймачів, після чого точність визначення координат за допомогою побутових навігаторів зросла як мінімум в 5 разів. Після скасування американцями режиму селективного доступу точність визначення координат за допомогою найпростішого цивільного GPS навігатора становить від 5 до 20 метрів (висота визначається з точністю до 10 метрів) і залежить від умов прийому сигналів в конкретній точці, кількості видимих ​​супутників і ряду інших причин. Наведені цифри відповідають одночасного прийому сигналу з 6-8 супутників. Більшість сучасних GPS приймачів мають 12-канальний приймач, що дозволяє одночасно обробляти інформацію від 12 супутників. Військове застосування навігації на базі NAVSTAR забезпечує точність на порядок вище (до декількох міліметрів) і забезпечується зашифрованим P (Y) кодом. Інформація в C / A коді (стандартної точності), що передається за допомогою L1, поширюється вільно, безкоштовно, без обмежень на використання.

Склад космічного сегмента системи GPS

Основою системи GPS є навігаційні супутники, що рухаються навколо Землі по 6 круговим орбітальним траєкторіях (по 4 супутника в кожній), на висоті 20180 км. Супутники GPS обертаються навколо Землі за 12 годин, їх вага на орбіті становить близько 840 кг, розміри - 1.52 м. В ширину і 5.33 м. В довжину, включаючи сонячні панелі, що виробляють потужність 800 Ватт. 24 супутника забезпечують 100% працездатність системи навігації GPS в будь-якій точці земної кулі. Максимальне можливе число одночасно працюючих супутників в системі NAVSTAR обмежено числом 37. На даний момент на орбіті перебуває 32 супутника, 24 основних і 8 резервних на випадок збоїв.

Супутник системи NAVSTAR GPS

Стеження за орбітальної угрупованням здійснюється з головної керуючої станції (Master Control Station - MCS), яка знаходиться на базі ВПС Шрівер, шт. Колорадо, США. З неї здійснюється управління системою навігації GPS в світовому масштабі. База ВПС Шрівер (Schriever) є місцем розміщення 50-го космічного з'єднання США - підрозділу командування повітряно-космічних сил.

Наземна частина системи GPS складається з десяти станцій спостереження, які знаходяться на островах Кваджалейн і Гаваях в Тихому океані, на острові Вознесіння, на острові Дієго-Гарсія в Індійському океані, а також в Колорадо-Спрінгс, в мисі Канаверел, шт. Флорида і т.д .. Кількість наземних станцій безперервно зростає, на всіх станціях спостереження використовуються приймачі GPS для пасивного спостереження за навігаційними сигналами всіх супутників. Інформація зі станцій спостереження обробляється на головній керуючої станції MCS і використовується для поновлення ефемерид супутників. Завантаження навігаційних даних, що складаються з прогнозованих орбіт і поправок годин, проводиться для кожного супутника кожні 24 години.

Визначення координат і GPS навігація.
Основою ідеї визначення координат GPS-приймача є обчислення відстані від нього до декількох супутників, розташування яких вважається відомим. Визначення місця розташування GPS-приймача в просторі здійснюється на базі алгоритму вимірювання відстані від точки спостереження до супутника. Дальнометрія заснована на обчисленні відстані з тимчасової затримки поширення радіосигналу від супутника до приймача. Якщо знати час поширення радіосигналу, то пройдений їм шлях легко обчислити. Приймачі працюють в пасивному режимі і обчислюють свої координати, але це зовсім не означає, що координати GPS-приймача будуть відомі кому небудь, крім його власника. Кожен супутник системи GPS безперервно генерує радіохвилі двох частот - L1 = 1575.42МГц і L2 = 1227.60МГц. Кожен GPS-приймач має власний генератор, що працює на тій же частоті і модулюючий сигнал за тим же законом, що і генератор супутника. Таким чином, за часом затримки між однаковими ділянками коду, прийнятого з супутника і згенерованого самостійно, можна обчислити час поширення сигналу, а, отже, і відстань до супутника.
Основна проблема при обчисленні відстані до супутника системи GPS пов'язана із синхронізацією годин на супутнику і в приймачі. Навіть мізерна похибка може привести до величезної помилки у визначенні відстані. Кожен супутник несе на борту високоточні атомні годинники, які вбудувати в звичайний GPS-приймач неможливо. Щоб скоррелировать тимчасове неузгодженість і уникнути величезних помилок в позиціонуванні, в систему GPS введений принцип надмірності для визначення тривимірних координат на поверхні Землі. GPS-приймач використовує сигнали трьох, а як мінімум чотирьох супутників і на підставі допоміжних сигналів вносить всі необхідні корективи в роботу свого годинника. Крім навігаційних сигналів, супутник безперервно передає різну службову інформацію. GPS-приймач отримує, наприклад, ефемериди (точні дані про орбіти супутника), прогноз затримки поширення радіосигналу в іоносфері, а також відомості про працездатність супутника (так званих "альманах", що містить оновлювані кожні 12.5 хвилин відомості про стан і орбітах всіх супутників). Ці дані передаються зі швидкістю 50 біт / с на частотах L1 або L2.

Відстань до навігаційних супутників системи GPS позначимо як А, В і С. Припустимо, що відомо відстань А до одного супутника. В даному випадку координати GPS-приймача визначити не можна, тому що він може знаходиться в будь-якій точці сфери з радіусом А, описаної навколо супутника. Якщо відома віддаленість У приймача від другого супутника, то визначення координат також не представляється можливим - об'єкт знаходиться десь на колі (показана синім кольором), яка є перетином двох сфер. Відоме відстань С до третього супутника скорочує невизначеність в координатах до двох точок (позначені червоними крапками). Цього вже достатньо для однозначного визначення координат GPS-приймача. Не дивлячись на те, що ми маємо дві точки з координатами, тільки одна знаходиться на поверхні Землі, а друга, помилкова, виявляється або глибоко всередині Землі, або дуже високо над її поверхнею. Таким чином, теоретично для тривимірної GPS навігації досить знати відстані від приймача до трьох супутників, але як ми вже говорили GPS-приймач, використовує сигнали трьох, а як мінімум чотирьох супутників і на підставі допоміжних сигналів вносить всі необхідні корективи для підвищення точності навігації.
Недоліками GPS навігації є те, що при певних умовах сигнал може не доходити до GPS-приймача, тому практично неможливо визначити своє точне місцезнаходження в глибині квартири всередині залізобетонного будівлі, в підвалі або в тунелі. Робоча частота GPS знаходиться в дециметровому діапазоні радіохвиль, тому рівень прийому сигналу від супутників може погіршитися під щільною листям дерев, в районах з щільною міською забудовою або через велику хмарності, а це позначиться на точності позиціонування. Магнітні бурі і наземні радиоисточники теж здатні перешкодити нормальному прийому сигналів GPS. Карти, призначені для GPS навігації, швидко застарівають і можуть бути не точними, тому потрібно вірити не тільки даними GPS-приймача, але і своїм власним очам. Особливо варто відзначити, що робота глобальної системи навігації GPS повністю залежна від міністерства оборони США і не можна бути впевненим, що в будь-який момент часу США не включить перешкоду (SA - selective availability) або взагалі повністю відключить цивільний сектор GPS як в окремо взятому регіоні, так і взагалі. Претенденти вже були. Благо, що у GPS є альтернатива у вигляді навігаційних систем ГЛОНАСС (Росія) і Galileo (ЄС), які в перспективі повинні набути широкого поширення.

(18

оцінок, середнє: 5,00 з 5)
Завантаження ...

Чи плануєте замовити і купити автомобільний або туристичний GPS навігатор - подивіться наш електронний каталог. У каталозі представлені GPS навігатори відомих брендів.