История появления GPS. Как прочитать координаты GPS С gps данными а также
Спутник системы GPS на орбите
Основной принцип использования системы - определение местоположения путём измерения моментов времени приема синхронизированного сигнала от навигационных спутников до потребителя. Расстояние вычисляется по времени задержки распространения сигнала от посылки его спутником до приёма антенной GPS-приёмника. То есть, для определения трёхмерных координат GPS-приёмнику нужно иметь четыре уравнения: «расстояние равно произведению скорости света на разность моментов приема сигнала потребителя и момента его синхронного излучения от спутников»:
Здесь: - местоположение -го спутника, - момент времени приема сигнала от -го спутника по часам потребителя, - неизвестный момент времени синхронного излучения сигнала всеми спутниками по часам потребителя, - скорость света, - неизвестное трехмерное положение потребителя.
История
Идея создания спутниковой навигации родилась ещё в 50-е годы. В тот момент, когда СССР был запущен первый искусственный спутник Земли , американские учёные во главе с Ричардом Кершнером наблюдали сигнал, исходящий от советского спутника и обнаружили, что благодаря эффекту Доплера частота принимаемого сигнала увеличивается при приближении спутника и уменьшается при его отдалении. Суть открытия заключалась в том, что если точно знать свои координаты на Земле, то становится возможным измерить положение и скорость спутника, и наоборот, точно зная положение спутника, можно определить собственную скорость и координаты.
Реализована эта идея была через 20 лет. В 1973 году была инициирована программа DNSS, позже переименованная в Navstar-GPS, а, затем, в GPS. Первый тестовый спутник выведен на орбиту 14 июля 1974 г., а последний из всех 24 спутников, необходимых для полного покрытия земной поверхности, был выведен на орбиту в 1993 г., таким образом, GPS встала на вооружение. Стало возможным использовать GPS для точного наведения ракет на неподвижные, а затем и на подвижные объекты в воздухе и на земле.
Первоначально GPS - глобальная система позиционирования, разрабатывалась как чисто военный проект. Но после того, как в 1983 году вторгшийся в воздушное пространство Советского Союза самолёт Корейских Авиалиний с 269 пассажирами на борту был сбит из-за дезориентации экипажа в пространстве, президент США Рональд Рейган с целью не допустить в будущем подобные трагедии разрешил частичное использование системы навигации для гражданских целей. Во избежание применения системы для военных нужд точность была уменьшена специальным алгоритмом. [уточнить ]
Затем появилась информация о том, что некоторые компании расшифровали алгоритм уменьшения точности на частоте L1 и с успехом компенсируют эту составляющую ошибки. В 2000 г. это загрубление точности отменил своим указом президент США Билл Клинтон.
| Блок | Период запусков |
Запуски спутников | Работают сейчас |
|||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Запу- щено |
Не успешно |
Гото- вится |
Заплани- ровано |
|||
| I | 1978-1985 | 10 | 1 | 0 | 0 | 0 |
| II | 1989-1990 | 9 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| IIA | 1990-1997 | 19 | 0 | 0 | 0 | 11 |
| IIR | 1997-2004 | 12 | 1 | 0 | 0 | 12 |
| IIR-M | 2005-2009 | 8 | 0 | 0 | 0 | 7 |
| IIF | 2010-2011 | 2 | 0 | 10 | 0 | 2 |
| IIIA | 2014-? | 0 | 0 | 0 | 12 | 0 |
| Всего | 59 | 2 | 10 | 12 | 31 | |
| (Последнее обновление данных: 9 Окт 2011) |
||||||
Техническая реализация
Космические спутники
Незапущенный спутник, экспонирующийся в музее. Вид со стороны антенн.
Орбиты спутников
Орбиты спутников системы GPS. Пример видимости спутников из одной из точек на поверхности Земли. Visible sat- число спутников, видимых над горизонтом наблюдателя в идеальных условиях (чистое поле).
Спутниковая группировка системы NAVSTAR обращается вокруг Земли по круговым орбитам с одной высотой и периодом обращения для всех спутников. Круговая орбита с высотой порядка 20200 км является орбитой суточной кратности с периодом обращения 11 часов 58 минут; таким образом, спутник совершает два витка вокруг Земли за одни звёздные сутки (23 часа 56 минут). Наклонение орбиты (55°) является также общим для всех спутников системы. Единственным отличием орбит спутников является долгота восходящего узла, или точка, в которой плоскость орбиты спутника пересекает экватор: данные точки отстоят друг от друга приблизительно на 60 градусов. Таким образом, несмотря на одинаковые (кроме долготы восходящего узла) параметры орбит, спутники обращаются вокруг Земли в шести различных плоскостях, по 4 аппарата в каждой.
Радиочастотные характеристики
Спутники излучают открытые для использования сигналы в диапазонах: L1=1575,42 МГц и L2=1227,60 МГц (начиная с Блока IIR-M), а модели IIF будут излучать также на L5=1176,45 МГц. Навигационная информация может быть принята антенной (обычно в условиях прямой видимости спутников) и обработана при помощи GPS-приёмника .
Сигнал с кодом стандартной точности (C/A код - модуляция BPSK (1)), передаваемый в диапазоне L1 (и сигнал L2C (модуляция BPSK) в диапазоне L2 начиная с аппаратов IIR-M), распространяется без ограничений на использование. Первоначально используемое на L1 искусственное загрубление сигнала (режим селективного доступа - SA) с мая 2000 года отключён. С 2007 года США окончательно отказались от методики искусственного загрубления. Планируется с запуском аппаратов Блок III введение нового сигнала L1C (модуляция BOC(1,1)) в диапазоне L1. Он будет иметь обратную совместимость, улучшенную возможность прослеживания пути и в большей степени совместим с сигналами Galileo L1.
Для военных пользователей дополнительно доступны сигналы в диапазонах L1/L2, модулированные помехоустойчивым криптоустойчивым P(Y) кодом (модуляция BPSK(10)). Начиная с аппаратов IIR-M введён в эксплуатацию новый М-код (используется модуляция BOC(15,10)). Использование М-кода позволяет обеспечить функционирование системы в рамках концепции Navwar (навигационная война). М-код передается на существующих частотах L1 и L2. Данный сигнал обладает повышенной помехоустойчивостью, и его достаточно для определения точных координат (в случае с P-кодом было необходимо получение и кода C/A). Еще одной особенностью M-кода станет возможность его передачи для конкретной области диаметром в несколько сотен километров, где мощность сигнала будет выше на 20 децибел. Обычный сигнал М уже доступен в спутниках IIR-M, а узконаправленный будет доступен только при помощи спутников GPS-III.
C запуском спутника блока IIF введена новая частота L5 (1176.45 МГц). Этот сигнал также называют safety of life (охрана жизни человека). Сигнал на частоте L5 мощнее на 3 децибела, чем гражданский сигнал, и имеет полосу пропускания в 10 раз шире. Сигнал смогут использовать в критических ситуациях, связанных с угрозой для жизни человека. Полноценно сигнал будет использоваться после 2014 года.
Сигналы модулируются псевдослучайными последовательностями (PRN) двух типов: C/A-код и P-код. C/A (Clear access) - общедоступный код - представляет собой PRN с периодом повторения 1023 цикла и частотой следования импульсов 1023 МГц. Именно с этим кодом работают все гражданские GPS-приемники. P (Protected/precise)-код используется в закрытых для общего пользования системах, период его повторения составляет 2*1014 циклов. Сигналы, модулированные P-кодом, передаются на двух частотах: L1 = 1575,42 МГц и L2 = 1227,6 МГц. C/A-код передается лишь на частоте L1. Несущая, помимо PRN-кодов модулируется также навигационным сообщением.
| Тип спутника | GPS-II | GPS-IIA | GPS-IIR | GPS-IIRM | GPS-IIF |
| Масса, кг | 885 | 1500 | 2000 | 2000 | 2170 |
| Срок жизни | 7.5 | 7.5 | 10 | 10 | 15 |
| Бортовое время | Cs | Cs | Rb | Rb | Rb+Cs |
| Межспутниковая связь |
- | + | + | + | + |
| Автономная работа, дней |
14 | 180 | 180 | 180 | >60 |
| Антирадиационная защита |
- | - | + | + | + |
| Антенна | - | - | Улучшенная | Улучшенная | Улучшенная |
| Возможность настройки на орбите и мощность бортового передатчика |
+ | + | ++ | +++ | ++++ |
| Навигационный сигнал |
L1:C/A+P L2:P |
L1:C/A+P L2:P |
L1:C/A+P L2:P |
L1:C/A+P+M L2:C/A+P+M |
L1:C/A+P+M L2:C/A+P+M L5:C |
24 спутника обеспечивают 100 % работоспособность системы в любой точке земного шара, но не всегда могут обеспечить уверенный приём и хороший расчёт позиции. Поэтому, для увеличения точности позиционирования и резерва на случай сбоев, общее число спутников на орбите поддерживается в большем количестве (31 аппарат в марте 2010 года).
Наземные станции контроля космического сегмента
Основная статья: наземный сегмент спутниковой системы навигации
Слежение за орбитальной группировкой осуществляется с главной контрольной станции, расположенной на авиабазе ВВС США Schriever, штат Колорадо , США и с помощью 10 станций слежения, из них три станции способны посылать на спутники корректировочные данные в виде радиосигналов с частотой 2000-4000 МГц. Спутники последнего поколения распределяют полученные данные среди других спутников.
Применение GPS
Приёмник сигнала GPS
Несмотря на то, что изначально проект GPS был направлен на военные цели, сегодня GPS широко используются в гражданских целях. GPS-приёмники продают во многих магазинах, торгующих электроникой, их встраивают в мобильные телефоны , смартфоны , КПК и онбордеры . Потребителям также предлагаются различные устройства и программные продукты, позволяющие видеть своё местонахождение на электронной карте; имеющие возможность прокладывать маршруты с учётом дорожных знаков, разрешённых поворотов и даже пробок; искать на карте конкретные дома и улицы, достопримечательности, кафе, больницы, автозаправки и прочие объекты инфраструктуры.
Высказывались предложения об интеграции систем Iridium и GPS.
Точность
Составляющие, которые влияют на погрешность одного спутника при измерении псевдодальности, приведены ниже :
| Источник погрешности | Среднеквадратичное значение погрешности, м |
|---|---|
| Нестабильность работы генератора | 6,5 |
| Задержка в бортовой аппаратуре | 1,0 |
| Неопределённость пространственного положения спутника | 2,0 |
| Другие погрешности космического сегмента | 1,0 |
| Неточность эфемерид | 8,2 |
| Другие погрешности наземного сегмента | 1,8 |
| Ионосферная задержка | 4,5 |
| Тропосферная задержка | 3,9 |
| Шумовая ошибка приёмника | 2,9 |
| Многолучёвость | 2,4 |
| Другие ошибки сегмента пользователя | 1,0 |
| Суммарная погрешность | 13,1 |
Суммарная погрешность при этом не равна сумме составляющих.
Типичная точность современных GPS-приёмников в горизонтальной плоскости составляет примерно 6-8 метров при хорошей видимости спутников и использовании алгоритмов коррекции . На территории США, Канады, Японии, КНР, Европейского Союза и Индии имеются станции WAAS , EGNOS , MSAS и т. д. передающие поправки для дифференциального режима, что позволяет снизить погрешность до 1-2 метров на территории этих стран. При использовании более сложных дифференциальных режимов, точность определения координат можно довести до 10 см. Точность любой СНС сильно зависит от открытости пространства, от высоты используемых спутников над горизонтом.
В ближайшее время все аппараты нынешнего стандарта GPS будут заменены на более новую версию GPS IIF, которая имеет ряд преимуществ, в том числе они более устойчивы к помехам.
Но главное, что GPS IIF обеспечивает гораздо более высокую точность определения координат. Если нынешние спутники обеспечивают погрешность 6 метров, то новые спутники будут способны определять местоположение, как ожидается, с точностью не менее 60-90 см. Если такая точность будет не только для военных, но и для гражданских применений, то это приятная новость для владельцев GPS-навигаторов.
На октябрь 2011 года на орбиту выведены первые два спутника из новой версии: GPS IIF SV-1 запущен в 2010 году и GPS IIF-2 запущен 16 июля 2011 года.
Всего первоначальный контракт предусматривал запуск 33 спутников GPS нового поколения, но потом из-за технических проблем начало запуска перенесли с 2006 года на 2010 год, а количество спутников уменьшили с 33 до 12. Все они будут выведены на орбиту в ближайшее время.
Повышенная точность спутников GPS нового поколения стала возможной благодаря использованию более точных атомных часов . Поскольку спутники перемещаются со скоростью около 14000 км/ч (3.874км/с) (первая космическая скорость на высоте 20 200 км), повышение точности времени даже в шестом знаке является критически важным для триангуляции.
Недостатки
Общим недостатком использования любой радионавигационной системы является то, что при определённых условиях сигнал может не доходить до приёмника , или приходить со значительными искажениями или задержками. Например, практически невозможно определить своё точное местонахождение в глубине квартиры внутри железобетонного здания, в подвале или в тоннеле даже профессиональными геодезическими приемниками. Так как рабочая частота GPS лежит в дециметровом диапазоне радиоволн, уровень приёма сигнала от спутников может серьёзно ухудшиться под плотной листвой деревьев или из-за очень большой облачности. Нормальному приёму сигналов GPS могут повредить помехи от многих наземных радиоисточников, а также (в редких случаях) от магнитных бурь , либо преднамеренно создаваемые «глушилками» (данный способ борьбы со спутниковыми автосигнализациями часто используется автоугонщиками).
Невысокое наклонение орбит GPS (примерно 55) серьёзно ухудшает точность в приполярных районах Земли, так как спутники GPS невысоко поднимаются над горизонтом .
Существенной особенностью GPS считается полная зависимость условий получения сигнала от министерства обороны США.
Теперь [когда? ] Министерство обороны США решило начать полное обновление системы GPS. Оно было запланировано достаточно давно, но начать реализовывать этот проект удалось только сейчас. В ходе обновления старые спутники заменят на новые, которые разработаны и произведены компаниями Lockheed Martin и Boeing. Утверждается, что они смогут обеспечивать точность позиционирования с погрешностью 0,5 метра.
Реализация данной программы займёт некоторое [какое? ] время. В Министерстве обороны США утверждают, что полностью завершить обновление системы удастся только через 10 лет. Количество спутников изменено не будет, их по-прежнему будет 30: 24 работающих и 6 резервных.
Хронология
| 1973 | Решение о разработке спутниковой навигационной системы |
| 1974-1979 | Испытание системы |
| 1977 | Приём сигнала от наземной станции, симулирующей спутник системы |
| 1978-1985 | Запуск одиннадцати спутников первой группы (Block I) |
| 1979 | Сокращение финансирования программы. Решение о запуске 18 спутников вместо запланированных 24. |
| 1980 | В связи с решением свернуть программу использования спутников Vela системы отслеживания ядерных взрывов, эти функции было решено возложить на спутники GPS. Старт первых спутников, оснащённых сенсорами регистрации ядерных взрывов. |
| 1980-1982 | Дальнейшее сокращение финансирования программы |
| 1983 | После гибели самолёта компании Korean Airline , сбитого над территорией СССР, принято решение о предоставлении сигнала гражданским службам. |
| 1986 | Гибель космического челнока Space Shuttle «Challenger» приостановила развитие программы, так как последний планировался для вывода на орбиту второй группы спутников. В результате основным транспортным средством была выбрана ракета-носитель «Дельта» |
| 1988 | Решение о развёртывании орбитальной группировки в 24 спутника. 18 спутников не в состоянии обеспечить бесперебойного функционирования системы. |
| 1989 | Активация спутников второй группы |
| 1990-1991 | Временное отключение SA (англ. selective availability - искусственно создаваемой для неавторизированных пользователей округления определения местоположения до 100 метров) в связи с войной в Персидском заливе и нехваткой военных моделей приёмников. Включение SA 01 Июня 1991 года. |
| 08.12.1993 | Сообщение о первичной готовности системы (англ. Initial Operational Capability ). В этом же году принято окончательное решение о предоставлении сигнала для бесплатного пользования гражданским службам и частным лицам |
| 1994 | Спутниковая группировка укомплектована |
| 17.07.1995 | Полная готовность системы (англ. Full Operational Capability ) |
| 01.05.2000 | Отключение SA для гражданских пользователей, таким образом точность определения выросла со 100 до 20 метров |
| 26.06.2004 | Подписание совместного заявления по обеспечению взаимодополняемости и совместимости Galileo и GPS 1 |
| Декабрь 2006 | Российско-американские переговоры по сотрудничеству в области обеспечения взаимодополняемости космических навигационных систем ГЛОНАСС и GPS.² |
См. также
- Transit (первая спутниковая навигационная система, 1960-е - 1996)
- Galileo (европейская навигационная система)
- ГЛОНАСС (российская навигационная система)
Примечания
Литература
- Александров И. Космическая радионавигационная система НАВСТАР (рус.) // Зарубежное военное обозрение . - М ., 1995. - № 5. - С. 52-63. - ISSN 0134-921X .
- Козловский Е. Искусство позиционирования // Вокруг света . - М ., 2006. - № 12 (2795). - С. 204-280.
- Шебшаевич В. С., Дмитриев П. П., Иванцев Н. В. и др. Сетевые спутниковые радионавигационные системы / под ред. В. С. Шебшаевича. - 2-е изд., перераб. и доп. - М .: Радио и связь, 1993. - 408 с. - ISBN 5-256-00174-4
Ссылки
Официальные документы и спецификации- Официальный сайт правительства США и системы GPS со статусом спутниковой группировки (англ.)
- Глобальные Навигационные Спутниковые Системы (GNSS). Как это работает? , gps-club.ru
- Галилео и GPS (англ.)
- Совместное заявление по обеспечению взаимодополняемости и совместимости ГЛОНАСС и GPS ((недоступная ссылка) , копия)
| Системы навигации | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Спутниковые |
|
||||||||
| Наземные | Omega Альфа Loran-C | ||||||||
Как известно, большинству из нас, Земля представляется в форме, близкой к шару, но всем известно, что она не шар. Отличие, весьма существенное для точной навигации и системы координат. Сложная поверхность Земли получила еще в 19 веке название геоида. Поверхность геоида совпадает с поверхностью морей и океанов в их спокойном состоянии и виртуально продолжается под материками.
Системы координат для GPS-навигаторов, географические координаты.
Земля, ее форма и координаты.
Для практического применения широкое распространение получили две модели формы Земли: сферическая с упрощенным представлением ее в виде шара с радиусом 6371,1 километра и сфероидальная в виде эллипса вращения (эллипсоида). Под ним понимают геометрическую фигуру, которая образуется при вращении эллипса вокруг своей малой оси. Размеры эллипсоида вращения, его ориентация и расположение относительно центра масс Земли могут варьироваться для достижения наибольшей точности приближения к реальной земной поверхности. Следует уяснить, что каждой используемой модели соответствует и своя система координат.
Когда мы говорим о какой-либо системе координат, то подразумеваем и соответствующую модель эллипсоида. Но и это еще не все различия, которые нужно знать пользователю системы GPS. Если параметры эллипсоида подбираются для Земли в целом, то такой эллипсоид получил название общего земного эллипсоида (ОЗЭ). С целью же описания локальной (частичной) области поверхности Земли с большей точностью может использоваться эллипсоид с другими параметрами.
Такой эллипсоид, законодательно принятый для измерений и обработки геодезических данных, называется референц-эллипсоидом (РЭ), а образуемая им система координат — референцной. В референц-эллипсоиде его малая ось не совпадает с осью вращения Земли, но должна быть параллельна ей. В ОЗЭ малая полуось всегда совпадает с осью вращения, а центр эллипсоида совпадает с центром масс Земли.
На территории СНГ используются две общеземные системы координат, ПЗ-90 и Международная WGS-84 (Wordl Geodetic System 1984). Цифры в обозначении системы указывают на год ее создания. Обе системы близки друг к другу. ПЗ-90 используется на территории СНГ для геодезического обеспечения орбитальных полетов, a WGS-84 применяется во всем мире для обработки спутниковых измерений GPS. К российским референцным системам относятся системы СК-42 (Пулково) и СК-95. Обе системы используют эллипсоид Красовского (введен с 1946 г.) и применяются при выполнении геодезических и картографических работ.
Системы координат для GPS-навигаторов.
При навигации и использовании GPS-навигаторов очень важно понимать, что отображение GPS-позиций на картах с разными системами координат без их пересчета приведет к большим ошибкам. Поэтому используются картографические программы, позволяющие переводить данные, например, из системы WGS-84 в местные системы координат. К счастью, у пользователей портативных GPS-навигаторов этой проблемы вообще нет. При использовании совместно с GPS-навигатором бумажной карты с координатной сеткой необходимо проверить совпадение систем координат карты и навигатора.
При необходимости можно произвести настройку системы координат навигатора, установив в нем параметры, называемые датумом, соответствующие загруженной карте, или выбрав пользовательский датум. Преобразование координат навигатор выполнит тогда автоматически. Датум есть геодезическая система координат, однозначно определяемая размерами своего эллипсоида и его положением по отношению к центру Земли. Число разных датумов, а проще - систем координат, используемых в мировой картографии, более сотни. Разные датумы были предложены с целью получения наилучшего приближения определяемой ими модели к реальной поверхности Земли данного региона.
К примеру, локальный Североамериканский датум NAD-27 разработан для наилучшего представления Северной Америки, а локальный Европейский датум ED-50 создан для использования в Европе. Локальные датумы нельзя применять вне области, для которой они были разработаны. Для удобства пользователя GPS-навигаторов в их память заложены параметры многих датумов, что дает возможность использовать в них электронные карты из разных источников без каких-либо сложностей.
На многих бумажных указана поправка для перехода с системы координат карты к международной WGS-84, в которой работает GPS. Например, чтобы точку, находящуюся в районе Балтийского моря и Ладоги, с координатами по WGS-84 системе нанести на российскую карту, построенную в системе Пулковской обсерватории 1942 года, необходимо сместить это точку на 0,14 минуты к востоку. На широте Петербурга Эта разница соответствует примерно 130 метрам.
Географические координаты.
Для определения положения любого объекта на поверхности Земли используется система из географических координат и двух особых точек — полюсов Северного и Южного. Полюса являются, как известно, точками пересечения оси вращения Земли с поверхностью эллипсоида. Наиболее наглядно географические координаты представляются в сферической модели Земли. В ней географические координаты, широта и долгота, определяются с помощью окружностей, образующихся при сечении шаровидной модели Земли плоскостями: для широты - в горизонтальном направлении, а для долготы - в вертикальном.
Окружность EQ, образуемая на поверхности шара горизонтальной секущей плоскостью, перпендикулярной земной оси и проходящей через центр шара, называется экватором. Он делит земной шар на северное и южное полушария. Окружности малых кругов, плоскости которых параллельны плоскости экватора, образуют параллели (РР). Окружности, образуемые плоскостями, проходящими через земную ось, получили название меридианов (географических или истинных). Среди всех меридианов надо выделить начальный (нулевой) PnGPs, называемый гринвичским, поскольку он проходит через астрономическую обсерваторию в Гринвиче (Англия). Этот меридиан делит земной шар на восточное и западное полушария.
Географическая широта.
Географической широтой некоторой точки на поверхности земного сфероида называется угол между плоскостью экватора и нормалью (отвесной линией) к этой поверхности. Для модели Земли в виде шара нормаль совпадает с земным радиусом ОМ, проведенным через данную точку М в центр шара. Широта измеряется дугой меридиана (угол МОЛ) от экватора до параллели данной точки. Широта принимает значения в диапазоне от 0 до 90 градусов. Если точка находится в северном полушарии, то широте приписывают наименование N (северное), если в южном - S.
Географическая долгота.
Географической долготой какой-либо точки называется двугранный угол между плоскостями начального (нулевого) меридиана и меридиана, проходящего через заданную точку. Так, долгота точки М определяется углом GOL. Долгота измеряется меньшей дугой экватора GL, а, к примеру, не дугой GEQL. Счет долгот ведут к востоку или западу от начального меридиана, от 0 до 180 градусов.
Если точка находится в восточном полушарии, то долготе приписывает наименование Е (восточная), если в западном - W (западная). Иногда, для обозначения полушарий точки, в координатах используются знаки +/-. Причем знак минус приписывают координатам, находящимся в южном и западном полушариях. Для географических координат в GPS-навигаторах используются следующие форматы:
— ddd.mm.ss.s — градусы, минуты, секунды,
— ddd.dddd — градусы, десятичные доли градусов,
— ddd.mm.mmm — градусы, минуты, десятичные доли минут.
По материалам книги «Все о GPS-навигаторах».
Найман В.С., Самойлов А.Е., Ильин Н.Р., Шейнис А.И.
GPS (Global Positioning System - глобальная система определения координат) - спутниковая поисковая система, составленная из совокупности 24 спутников, помещенных на орбиту американским Министерством обороны и наземных станций слежения, объединенных в общую сеть. Глобальная система определения координат работает в любых метеорологических условиях, в любой точке мира, 24 часа в день. Никаких ограничений на использование системы определения координат не существует.
История развития GPS
GPS изначально разрабатывалась в сугубо военных целях: система обороны нуждалась, с одной стороны, в средствах наведения высокоточного оружия дальнего действия и, с другой стороны, в универсальной системе навигации, доступной для массового применения в армии. Объединив эти задачи в одну –создание системы точного позиционирования, - с 1960-х годов Министерство обороны США приступило к работе. Видя перспективность этой системы не только для военных целей, разработчикам была поставлена задача, чтобы оборудование было доступно широкому кругу пользователей, но при условии, что военные смогут в любой момент ограничить действие системы.
Когда основные требования к системе были определены, военно-морские и военно-воздушные силы США приступили к разработке концепции использования радиосигналов, излучаемых со спутников, в целях навигации. Безусловно, поводом послужил запуск первого искусственного спутника. США следили за его полетом, принимая сигнал бортового передатчика на наземных пунктах с заранее известными координатами. Были изучены параметры прохождения сигналов через толщу земной атмосферы и возникающий при движении спутника по орбите доплеровский сдвиг частоты, по которому можно вычислить полную орбиту спутника. Доктор Фрэнк МакКлар (FrankT McClure) из APL(Applied Physics Laboratory) указал, что, наоборот, если известна полная орбита спутника, то по доплеровскому сдвигу можно вычислить точное положение спутника на орбите. Возник интерес к обратной задаче: расчет координат приемника на основании принятых со спутника сигналов.
Система Transit, разработанная в 1964 году, стала предшественником GPS. Она состояла из 7 низкоорбитальных спутников, которые излучали стабильные сигналы. Несколько наземных станций контролировали и корректировали параметры орбиты. Пользователи определяли свои координаты на земной поверхности, измеряя доплеровский сдвиг частоты от каждого спутника. В 1967 году система Transit стала доступна для гражданских пользователей. Она была очень быстро приспособлена для навигации судов, но из-за большого количества недостатков не могла применяться в самолетах и других быстродвижущихся объектах.
Второй предшественник GPS, Timation, был разработан под руководством Роджера Истона в NRL (Naval Research Laboratory, Военно-морская исследовательская лаборатория). Программа исследований стартовала в 1964 году и включала в себя запуск двух искусственных спутников, несущих на борту сверхстабильные часы, передачу со спутника прецизионных сигналов точного времени и определение двухмерных координат приемника. Основная идея состояла в использовании синхронизированных передатчиков, излучающих закодированных сигнал. Измеряя задержку прохождения сигнала от спутников, имеющих заранее известные координаты, можно вычислить расстояние до спутников и рассчитать на основании этого координаты приемника. Таким образом, был заложен и экспериментально опробован базовый принцип работы GPS.
Тем временем ВВС США работали над трехмерной системой («Система 621В») с непрерывным доступом. В 1972 году была продемонстрирована работа системы, использующей новый метод разделения сигналов спутников – кодовое разделение на основе псевдослучайного шумоподобного сигнала. В этом варианте все спутники излучают на одной несущей частоте, которая модулируется сверхдлинным псевдослучайным кодом, индивидуальным для каждого спутника, который позволял значительно увеличить помехоустойчивость и передавать в сигнале информацию о положении спутников (эфемериды), а также метки точного времени. В простейшем случаем коды могли быть как открытыми для общего пользования, так и секретными. Гражданским пользователям были доступны только открытые коды, поэтому достаточно было внести преднамеренные погрешности в информацию, передаваемую открытыми кодами, как работоспособным останется только военное оборудование, а гражданские приемники перестанут функционировать с приемлемой точностью. Во время испытаний этой системы была сформулирована концепция глобальной системы из 16 спутников на геостационарных орбитах, чьи проекции на земную поверхность были вытянуты на 30° севернее и южнее экватора.
В течение последующих нескольких лет комитет, собранный для координации усилий всех исследовательских групп, разрабатывающих различные навигационные системы, окончательно определил, какой должна быть система спутниковой навигации. В апреле 1973 ода военно-воздушные силы были утверждены, как ведущий разработчик DNSS (Defensive Navigation Satellite System, оборонительная система спутниковой навигации). В декабре того же года Министерство обороны США утвердило и профинансировало первый из трех этапов разработки NAVSTAR GPS, системы, построенной по сформулированной концепции.
Первый этап подразумевал экспериментальное подтверждение пригодности общей концепции спутниковой навигационной системы, демонстрацию заложенного в нее потенциала и конкретизацию дальнейшего плана работ. Во второй этап включались полномасштабные инженерные разработки, в третий – производство и развертывание сегментов GPS. Первые экспериментальные спутники позволили опробовать метод измерения дальности с использованием широкополосного радиосигнала и прецизионных меток времени, получаемых от атомных часов. Круговые орбиты спутников последовательно увеличивались с 925 км до 13000 км, а затем достигли окончательной величины в 20145 км. Так же последовательно менялась несущая частота передатчиков: сначала 400 МГц, затем 1227 МГц, и позднее достигла современного значения 1575 МГц. Военные предусмотрели двойное назначение спутников GPS, в дополнение к имеющемуся оборудованию позиционирования и точного времени, спутники могли нести на борту датчики ядерного взрыва (NUDET, nuclear detonation), предназначенные для обнаружения фактов испытания ядерного оружия, выявления ядерной атаки и оценки масштабов разрушений.
В августе 1979 года все базовые компоненты системы были введены в строй, Объединенный Центр объявил о переходе к следующему этапу работ. Период с 1980 по 1989 годы отмечен попытками сохранить устойчивое развитие GPS, сопровождавшееся несколькими существенными спадами, связанными главным образом с проблемами финансирования. Первый спутник этого периода был выведен на орбиту в феврале 1989 года и приступил к работе в апреле. Затем были запущены еще 23 спутника.
Одновременно со спутниковым сегментом развивались наземный и пользовательский. Управление было перенесено на авиабазу Фэлкон, штат Колорадо. Система была полностью протестирована и продемонстрировала успешное взаимодействие между наземными пунктами управления, спутниками и оконечным оборудованием.
Первым полномасштабным боевым испытанием для системы стал кризис в Персидском заливе, случившийся в 1990-1991 годы. Спутники GPS позволили силам антииракской коалиции маневрировать, определяться на местности и вести огонь с беспрецедентной точностью 24 часа в сутки. Условия были тяжелейшие – частые песчаные бури, отсутствие мощенных дорог, растительного покрова и других ориентиров.
В марте 1994 года формирование созвездия GPS было завершено запуском 24-го спутника. Система поддерживает стометровую точность позиционирования для гражданских пользователей. Также было заявлено, что Министерство обороны США обязуется за 48 часов уведомлять гражданских пользователей о плановом отключении сервиса стандартного позиционирования и уведомлять об аварийных ситуациях. С 1996 года на орбиту начали выводить спутники нового типа, имеющие расширенные возможности, включая систему автономной навигации. Она позволяет спутнику, в случае невозможности контакта с наземной станцией, функционировать автономно без потери точности как минимум 180 дней.
Во время разработки первоначальной концепции GPS считалось, что точности в 100 метров будет достаточно для гражданских пользователей. При испытаниях в конце 1970-х годов выяснилось, что коды стандартной точности позволяют достичь значительно лучших результатов. Реальная точность позиционирования в то время находилась в пределах 20-30 м. Для обеспечения преимущества военных в использовании GPS было решено ввести преднамеренное ограничение точности для гражданских пользователей (вводились преднамеренные ошибки в передаваемые спутниками навигационные данные, занижалась точность эталонных сигналов времени). Применение GPS расширялось, и вскоре стандартная стометровая точность перестала удовлетворять людей. В полночь с 1 на 2 мая 2000 года принудительное отключение точности было отключено.
Состав системы
Система GPS состоит из трех сегментов:
- космический сегмент
- сегмент контроля и управления
- сегмент навигационной аппаратуры потребителей/аппаратуры спутниковой навигации
Космический сегмент
В настоящее время орбитальная группировка GPS насчитывает 32 КА.
Ведутся работы по обновлению системы GPS путём замены орбитальной группировки на НКА пятого поколения (GPS-III), для чего:
В Вотертоне, шт. Колорадо, компанией Lockheed Martin выполнена сборка 10 НКА GPS-III;
Запуск НКА GPS-IIISV01 произведен в декабре 2018 г. ракето-носителем Falcon-9 (первый из десяти спутников системы GPS –III, которые должны постепенно заменить собой другие аппараты, находящиеся сейчас на орбите);
ВВС США в сентябре 2018 г. заключили дополнительный контракт с компанией Lockheed Martin на изготовление 22 НКА GPS-IIIF;
Компания Raytheon поставила систему начального этапа наземного комплекса управления (НКУ) нового поколения, известную как Блок 0, для обеспечения запусков и орбитальных проверок НКА GPS-III.
Использование НКА GPS-III должно обеспечить повышение потребительских характеристик, в том числе: мощность, устойчивость, надёжность, помехозащищённость, точность местоопределения, расширить возможности использования гражданского сигнала L1C и сигнала для военных потребителей M-Code.
Внедрение новых навигационных сигналов GPS обеспечивает совершенствование структуры цифровой информации и применением новых видов модуляции, а также переход от структуры навигационного сообщения типа NAV на структуры типа CNAV и CNAV-2, более точно передающие в новом формате информацию о состоянии GPS (текущее время, признаки состояния КА, эфемеридно-временная информация, альманах системы и т.п.). При этом сообщения передаются в виде пакетов различной длительности вместо используемой архитектуры суперкадров/кадров.
Существенным изменением структуры CNAV является увеличение количества КА, используемых по целевому назначению, с 32 до 63, а также возможность оперативно передать данные о работоспособности конкретного аппарата (целостности) с задержкой не более 6 с.
Дополнительные возможности
Система обнаружения ядерных взрывов.
Спутниковая система оповещения о чрезвычайных ситуациях DASS.
Блоки КА
|
|
|
|
 |
 |
Принцип работы
Спутники системы двигаются по точной орбите с периодом обращения 11 часов 58 минут и передают информацию на Землю. Приемники GPS принимают эту информацию и, используя триангуляцию (разбивку на треугольники), вычисляют точное местоположение пользователя. По существу, приемник GPS сравнивает время, переданное спутником со временем, когда это время было отправлено. Разница во времени говорит приемнику о том, как далеко находится спутник. Измерив такое расстояние еще до нескольких спутников, приемник может определить положение пользователя и, например, показать ее на электронной карте навигационного приемника (навигатора).
Навигатор должен быть привязан к сигналам, по крайней мере, трех спутников для определения двух координат (широта и долгота). Имея четыре или больше спутников в поле зрения, приемник может определить три координаты пользователя (широта, долгота и высота). Как только положение пользователя будет определено, система может вычислить другую информацию, типа скорости, курса, пройденного расстояния, расстояния до точки назначения, восхода солнца и времени заката и т.д.
Сегодняшние приемники глобальной системы определения координат чрезвычайно точны благодаря своей параллельной многоканальности. 12 параллельных приемников GPS способны поддерживать сигналы со спутников даже в плотной листве или городских зданиях. Некоторые атмосферные факторы и другие источники погрешности могут влиять на точность приемников глобальной системы.
Более новые модели приемников GPS с системой WAAS (Wide Area Augmentation System) способны улучшить точность определения координат до 2-3 метров. Эта расположенная в космосе система передает информацию, обеспечивающую непрерывность спутниковых сигналов, а также данные корректировок, определяемые наземными станциями. Правительства США, Канады и других государств установили дифференциальные GPS-станции (DGPS ), предназначенные для передачи корректирующих сигналов. Эти станции работают в прибрежных районах, а также в бассейнах судоходных рек. Пользование системой DGPS является бесплатным. Сигналы, передаваемые станциями DGPS, не только корректируют ошибки при расчете местоположения, но также компенсируют ухудшение точности GPS, вызванное использованием программы SA (Selective Availability), проводимой Департаментом Обороны США. Для использования DGPS требуется дополнительное оборудование.
Источники ошибок сигнала GPS
Факторы, которые могут ухудшить сигнал GPS и таким образом повлиять на точность, следующие:
- Ионосфера и задержки тропосферы - спутниковый сигнал слабеет, поскольку проходит через атмосферу. Система GPS использует встроенную программу, которая вычисляет среднее количество задержки, чтобы частично исправить ошибки данного типа.
- Разветвленный сигнал - Это происходит, когда сигнал глобальной системы определения координат отражен от объектов типа высоких строений или поверхностей скал до того, как достигает приемника. Это увеличивает время прохождения сигнала, таким образом, вызывая ошибки.
- Ошибки часов приемника - встроенные часы приемника не столь же точны как бортовые атомные часы спутника GPS. Поэтому, это может иметь очень небольшие ошибки синхронизации.
- Орбитальные ошибки - Также известны как эфемероидные ошибки, - погрешности местоположения спутника.
- Количество спутников - Чем больше спутников может видеть приемник, тем лучше точность. Модули глобальной системы обычно не будут работать в закрытом помещении, под водой или землей.
- Спутниковая геометрия - Это относится к относительному положению спутников в любое данное время. Идеальная спутниковая геометрия существует, когда спутники расположены под широкими углами относительно друг друга.
- Намеренное снижение производительности спутникового сигнала - Основным источником было наличие, так называемого, режима "ограниченного доступа". В этом режиме в сигналы спутников Министерством обороны США априорно вводилась погрешность, позволяющая определять местоположение с точностью 30-100 м. С 1 мая 2000 года режим "ограниченного доступа" был отключен.
Применение GPS
Несмотря на то, что изначально проект GPS был направлен на военные цели, сегодня GPS широко используются в гражданских целях. GPS-приёмники продают во многих магазинах, торгующих электроникой, их встраивают в мобильные телефоны, смартфоны, КПК и онбордеры. Потребителям также предлагаются различные устройства и программные продукты, позволяющие видеть своё местонахождение на электронной карте; имеющие возможность прокладывать маршруты с учётом дорожных знаков, разрешённых поворотов и даже пробок; искать на карте конкретные дома и улицы, достопримечательности, кафе, больницы, автозаправки и прочие объекты инфраструктуры.
- Геодезия: с помощью GPS определяются точные координаты точек и границы земельных участков
- Картография: GPS используется в гражданской и военной картографии
- Навигация: с применением GPS осуществляется как морская, так и дорожная навигация
- Спутниковый мониторинг транспорта: с помощью GPS ведётся мониторинг за положением, скоростью автомобилей, контроль за их движением
- Сотовая связь: первые мобильные телефоны с GPS появились в 90-х годах. В некоторых странах, например США это используется для оперативного определения местонахождения человека, звонящего 911. В России в 2010 году начата реализация аналогичного проекта - Эра-глонасс.
- Тектоника, Тектоника плит: с помощью GPS ведутся наблюдения движений и колебаний плит
- Активный отдых: есть разные игры, где применяется GPS, например, Геокэшинг и др.
- Геотегинг: информация, например фотографии «привязываются» к координатам благодаря встроенным или внешним GPS-приёмникам
Глобальная система местоопределения ("Global Positioning System") - GPS предназначена для определения текущих координат пользователя на поверхности Земли или в околоземном пространстве с использованием сигналов, получаемых приемником GPS от 24 искусственных спутников Земли, которые вращаются по 12 часовым орбитам на высоте около 20 тыс. км. Эта спутниковая GPS - система оплачивается и находится под контролем Департамента обороны США,
Орбиты спутников располагаются примерно между 60 градусами северной и южной широты. Этим достигается то, что сигнал хотя бы от некоторых спутников будет приниматься в любой точке земной поверхности и околоземного пространства в любое время при условии прямой видимости спутников.
Эти параметры орбит выбраны для того, чтобы в любой момент времени при отсутствии физических помех с Земли можно получать сигналы от 5 до 12 спутников.
Каждый спутник передает сигналы на 3-х частотах: гражданские GPS приемники используют частоту L1, равную 1575.42 МГц.
Какую же информацию передает cпутник в системе GPS?
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, если это предусмотрено программой, показывается на экране GPS приемника во время его работы. Дополнительные номера предназначены для резервных спутников, которые так же находятся на орбите и в любой момент могут заменить вышедший из строя спутник.
Данные эфимериса, постоянно передаваемые каждым спутником, содержат такую важную информацию, как состояние спутника (рабочее или нерабочее), текущая дата и время.
Данные альманаха передаются каждые 12.5 минут и говорят о том, где в течение дня должны находиться все GPS спутники. Каждый из них передает альманах, содержащий параметры своей орбиты, а также параметры всех других спутников системы. Последний полученный альманах сохраняется в памяти даже при выключенном питании, однако некоторые карманные модели приемников теряют эти данные, если вынуть из них батарейки на достаточно продолжительное время. Однажды запомненный альманах используется программой приемника для различных целей.
Ваш GPS приемник получает сигнал спутника, запоминает эфимерис и альманах для дальнейшего использования. Эта же информация используется для установки или коррекции часов приемника.
От чего зависит точность определения координат GPS приемников?
GPS приемник на основании полученной со спутников информации определяет расстояние до каждого спутника, их взаимное расположение и вычисляет свои координаты по законам геометрии. При этом, для определения 2-х координат (широта и долгота) достаточно получить сигналы с трёх спутников, а для определения высоты над уровнем моря - с четырёх.
Постоянно отслеживая Ваше местоположение в течение некоторого времени, приемник также может рассчитать скорость и направление Вашего движения.
Прямая видимость необходима для устойчивого приема сигнала со спутника. В автомобиле, среди высоких зданий, в горах или в глубоких ущельях возможности приемника GPS могут быть существенно ограничены. Если сигналы от некоторых спутников оказываются экранированы, то точность определения местоположения будет зависеть от оставшихся “видимыми” спутников. Чем большая часть неба заслонена искусственными или естественными предметами, тем более сложно определить положение.
Другим фактором, влияющим на точность GPS приемника, 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 такая спутниковая геометрия не позволит получить максимальную точность. Если же эти четыре спутника будут находиться в разных направлениях, то точность значительно возрастет.
Другим источником ошибок является переотражение спутникового сигнала от различных объектов. 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, что увеличивает ошибку при определении положения.
Существуют и другие источники погрешностей. Например, задержка прохождения сигнала из-за различных атмосферных феноменов. Однако GPS приборы спроектированы так, чтобы, по возможности, компенсировать возможные ошибки. Однако, небольшие погрешности измерений все же всегда присутствуют, но не превышают нескольких метров. Этого вполне достаточно для решения задач навигации подвижных объектов (туристы, автомобили, самолеты, корабли и т.д.). Где может пригодиться приемник GPS? Одним из важнейших преимуществ GPS систем навигации 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. GPS приемник может найти применение везде, кроме мест, где нельзя принимать спутниковые сигналы, т.е. в зданиях, под землей, под водой и т.п. В авиации на коммерческих и любительских самолетах и на море GPS приемники входят в состав навигационных систем. Наземное применение GPS очень разнообразно. Важное место занимает GPS в работе спасательных служб. GPS позволяет существенно сократить затраты, связанные с поисковыми работами и значительно сократить время проведения спасательных операций.
В очень скором будущем навигационные системы с использованием GPS приемников станут 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 - выездная бригада уже знает, куда ехать). Внедряются также и другие системы, которые отображают на экране Ваше положение и помогают прокладывать маршрут в незнакомом городе. Для контроля передвижения спецавтомобилей (например, инкассаторских) и для борьбы с угонами начали использоваться системы, постоянно отслеживающие положение движущегося объекта на карте местности.
Министерство образования и науки Российской Федерации
ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина»
Институт радиоэлектроники и информационных технологий – РТФ
Кафедра «Радиоэлектроника информационных систем»
Gps (Global Positioning System)
Реферат по дисциплине «Введение в направление»
Дата 28.10.2013
Преподаватель ___________________________ (Иванов Вячеслав Элизбарович)
Студент ________________________________ (Ахтаров Данил Надирвич)
Группа РИ-130801
Оценка _________
Екатеринбург
Введение
|
История создания…………………………………………………………….. | ||
|
Принцип работы системы GPS……………………………………………… | ||
|
Сущность принципа определения координат……………………………… | ||
|
Навигационные сигналы GPS……………………………………………….. | ||
|
Точность определения координат в системах GPS………………………… | ||
|
Альтернативные устройства GPS…………………………………………… |
Заключение
Приложение
Список литературы
Введение
GPS - аббревиатура от английского Global Positioning System, в переводе на русский глобальная система позиционирования. Это система позволяет определить собственные координаты. Представляет она из себя группировку спутников - 24 штуки. Группировка эта называется NAVSTAR. Спутники не висят над одной точкой планеты, а перемещаются относительно поверхности Земли. Также, система позиционирования содержит земные станции коррекции. Проект был реализован и принадлежит военному ведомству США и первоначально задумывался только для военных целей. Основной задачей проекта является высокоточное позиционирование различных подвижных и статических объектов на местности. Этому способствует измерение расстояния, времени и определение местоположения во всемирной системе координат WGS 84.
Спутниковая Система Навигации (GPS) является американской системой, основанной на радионавигации местности, которая обеспечивает надежное расположение, навигацию, и выбор времени услуг гражданским пользователям на непрерывной международной основе - свободный доступ для всех. Для любого человека, имеющего приемник GPS, система обеспечит возможность определения местоположения и времени.
GPS составлен из трех частей: спутники, вращающиеся вокруг Земли; контроль и станций на Земле; и приемники GPS принадлежащие пользователям. Спутники GPS передают сигналы с места, которые воспринимаются и идентифицируются приемниками GPS. Каждый приемник GPS затем обеспечивает трехмерное местоположение (широта, долгота, и высота) плюс время. Люди могут купить мобильные телефоны с GPS, которые доступны через сеть коммерческих розничных продавцов. Пользователи, которые имеют приемник, GPS могут точно определить местонахождение и легко определить, куда нужно идти дальше согласно предварительно выбранному маршруту.
GPS стал оплотом систем транспортировки во всем мире, обеспечивая навигацию для авиации, наземного транспорта, и морских сообщений. Помогая во время катастроф и бедствия. GPS помогает аварийным службам для определения местоположения и возможности выбора времени для своих спасательных миссий. Каждодневные действия, такие как банковское дело, деятельность мобильных операторов, и даже контроль сети энергопередачи, облегчены благодаря точному выбору времени, предоставленными системой GPS. Фермеры, инспекторы, геологи и бесчисленные другие эксперты выполняют свою работу более эффективно, благополучно, экономно, благодаря использованию сигналов GPS.
Цель данного реферата рассмотреть такие вопросы как: история возникновения GPS, принципы работы GPS, необходимость и важность их практического использования.
