→ → Точность определения координат GPS. Системы координат для GPS-навигаторов, географические координаты С gps данными а также

Точность определения координат GPS. Системы координат для GPS-навигаторов, географические координаты С gps данными а также

GPS (Global Positioning System) - глобальная система местоопределения (навигации). Не будет преувеличением сказать, что толчок к развитию навигации с использованием космических аппаратов дал запуск в СССР первого искусственного спутника Земли (ИСЗ). Это событие произошло в 1957 году. Не секрет, что в любом подобном действии американцы видели угрозу для своей страны. Была поставлена задача следить за советским ИСЗ. Сигнал со спутника принимали на наземном пункте с известными координатами. Появился интерес к обратной задаче: расчет координат приемника на основе принятых со спутника сигналов.

В 1964 году директор лаборатории прикладной физики университета Джона Гопкинса профессор Кершнер создал спутниковую радионавигационную систему первого поколения Transit. Как правило, изобретения подобного рода создаются для военных целей. Не стала исключением и Transit. Ее целью было обеспечение навигации баллистических ракет Поларис, запускаемых с подводных лодок. Но данная система могла обеспечить точное определение координат лишь для стационарных или медленно движущихся объектов. Благодаря изобретенным в 60-х годах высокоточным атомным часам появилась возможность использовать для навигации несколько синхронизированных передатчиков, пересылающих закодированные сигналы. Чтобы рассчитать координаты приемника, необходимо было лишь измерить соответствующие временные задержки сигналов. ВМС США успешно продолжали работать над реализацией этого принципа и осуществили запуск нескольких спутников. В то время ВВС США разрабатывали идею использования для целей навигации широкополосных модулированных псевдослучайными шумовыми кодами (PRN - Pseudo Random Number code) сигналов с использованием одной несущей частоты. А в 1973 году ВМС и ВВС США объединились в общую Навигационную технологическую программу. Как следствие, появилась программа Navstar GPS.

Свой «ответ Чемберлену» - американской GPS - пытаются разработать в Европе, России и Китае.
Европейская Galileo - будет состоять из 30 спутников. Ожидается, что «Галилео» войдёт в строй в 2013 году. В отличие от американской GPS и российской ГЛОНАСС, система Галилео не контролируется ни государственными, ни военными учреждениями.
Расчётная орбита высотой более 23000 км с наклонением 56°.

ГЛОНАСС (ГЛОбальная НАциональная Спутниковая Система) – 27 спутников. Спутники находятся в трёх плоскостях на высоте примерно 19 100 км. В ГЛОНАСС используется частотное разделение сигналов, т. е. каждый спутник работает на своей частоте и, соответственно, L1 находится в пределах от 1602,56 до 1615,5 МГц и L2 от 1246,43 до 1256,53.

Свою независимую спутниковую навигационную систему с 1993 года развертывает и Китай. Проект Beidou (тамошнее название Большого Ковша - созвездия Большой Медведицы) стартовал 30 октября 2000 года. В Пекине планируют, что система начнет работать уже к 2012 году. На полную мощность "Бэйдоу" выйдет к 2020 году.

IRNSS (англ. Indian Regional Navigation Satellite System) - Индийская навигационная спутниковая система, в состоянии разработки. Предполагается для использования только в этой стране. Общее количество спутников системы IRNSS: 7. Проектная дата завершения работ: 2011 год.

О спутниках

Первый спутник для работы GPS был запущен в феврале 1978 года. Сегодня система включает в себя 31 спутник. Для покрытия земного шара необходимо только 24 спутника, остальные выступают в качестве запасных. Спутники распределены по шести орбитам на высоте около 20 000 км (по четыре спутника на каждой орбите) и имеют наклон 55° по отношению к экватору. Они движутся со скоростью около 3 км/с (два оборота вокруг Земли менее чем за сутки). Такая конфигурация системы позволяет принимать сигнал сразу от нескольких спутников практически в любом месте Земли (за исключением некоторых приполярных областей). Вес каждого спутника около тонны, а размер с раскрытыми солнечными батареями - около 5 м. Мощность передатчика порядка 50 Вт. Каждый спутник рассчитан на работу в течение десяти лет. Новые спутники запускаются на орбиту по мере необходимости, например в случае выхода из строя или необходимости провести профилактические работы.

Как это работает

Прежде чем мы приступим к описанию принципов работы GPS, придется ознакомиться с некоторыми терминами и даже вспомнить формулы из школьного курса физики.

Задача трилатерации

Итак, задачей трилатерации (триангуляции) является вычисление координат объекта путем измерения его удаленности от точек с заданными координатами. В нашем случае объектом является GPS-приемник, а точками с заданными координатами - три спутника системы GPS. Впрочем, обо всем по порядку.

Каким образом становятся известны координаты спутников? Министерство Обороны США имеет четыре станции слежения, три станции связи и центр управления для контроля орбит и координат спутников. Станции слежения непрерывно отслеживают спутники и передают данные в центр управления. В центре управления вычисляются уточненные элементы орбит и коэффициенты поправок спутниковых часов. Эти данные составляют так называемый альманах, который передается по каналам станций связи на спутники.

Перейдем непосредственно к задаче определения координат. Предположим, что расстояние А до одного спутника известно. Тогда мы можем описать вокруг него сферу заданного радиуса. Но координаты объекта (GPS-приемника) определить невозможно, так как известно лишь то, что он находится где-то на поверхности описанной сферы. Если известно расстояние В и до второго спутника, то объект находится на окружности, образованной пересечением двух сфер. Третий спутник позволяет определить две точки на окружности.

Теперь нам остается выбрать правильную точку. Одна точка может быть отброшена, так как находится внутри Земли или высоко над ней. Таким образом, получив данные от трех спутников, можно узнать координаты объекта. Также окончательную точку можно выбрать, сверив с данными от четвертого спутника. Но не все так просто, как кажется на первый взгляд. Приведенные рассуждения актуальны для случая, когда расстояния до спутников известны с абсолютной точностью. Как же определяются эти расстояния и что является источником вносимой погрешности?

Задачей дальнометрии является определение расстояние до объекта по временной задержке распространения радиосигнала от него. Используется всем известная со школьной скамьи формула х =V * t (расстояние равно скорости, умноженной на время). Каждый спутник передает радиосигналы с заданной частотой. Для гражданских целей используется частота F1 = 1575.42 MHz. Для военных целей - частота F2 = 1227.60 MHz. Передаваемый сигнал модулируется псевдослучайным кодом (PRN). Существует грубый код - С/А-код (Coarse Acquisition code), используемый в гражданских приемниках, и точный P-код (Precision code), используемый в военных целях и иногда для нужд геодезии и картографии. На спутнике и в приемнике одновременно генерируется одинаковый PRN. Получив сигнал, GPS-приемник определяет временную задержку и, умножая эту цифру на скорость света (скорость распространения радиоволн), вычисляет расстояние до спутника.

Чтобы расстояние было вычислено точно, необходима идеальная синхронизация часов на спутнике и в приемнике, что достигается за счет применения атомных часов, находящихся на борту спутника. Естественно, что устанавливать такие часы в каждый GPS-приемник невозможно. Поэтому для получения точных координат применяют некоторую избыточность в данных. Например, для определения координат используют данные от четырех или более спутников. Получив сигналы от нескольких спутников, приемник ищет точку пересечения соответствующих окружностей и, если такую точку не находит, то компьютер в приемнике начинает корректировать время методом последовательных итераций до тех пор, пока не сведет все измерения к одной точке. Таким образом, чем больше спутников, тем точнее измерение. Стандартные гражданские GPS-приемники могут принимать сигналы от двенадцати спутников одновременно. При этом спутники выведены на орбиту таким образом, чтобы по крайней мере четыре из них приемник "видел".

Какие же сигналы передает спутник? Его сигнал содержит “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 приёмника 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. Каждый GPS спутник передаёт только данные своего собственного эфимериса. Эти данные действительны только 30 минут. Спутники передают свой эфимерис каждые 30 секунд.

Данные альманаха передаются каждые 12.5 минут и говорят о том, где в течение дня должны находиться все GPS спутники. Каждый из них передаёт 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 приёмников теряют эти данные, если вынуть из них батарейки на достаточно продолжительное время. Однажды запомненный альманах используется программой приёмника для различных целей. Данные альманаха не отличаются большой точностью и действительны несколько месяцев.

Ваш GPS приёмник получает сигнал спутника, запоминает эфимерис и альманах для дальнейшего использования. Эта же информация используется для установки или коррекции часов приёмника. Если GPS был отключён более 30 минут, а потом включён, он начинает искать спутники, основываясь на известном ему альманахе. По нему GPS выбирает спутники для инициации поиска. Когда GPS приёмник фиксирует спутник, он показывает на экране "пустой" столбик силы сигнала. В этот момент ещё идёт процесс сбора данных эфимериса. Когда эфимерис каждого спутника принят, соответствующий ему столбик силы сигнала закрашивается чёрным цветом и данные, принятые от спутника считаются подходящими для навигации. Если питание приёмника отключить, а потом снова включить в течении 30 минут, он "поймает" спутники очень быстро, т.к. не надо будет снова собирать данные эфимериса. Это называется "горячий" старт .

Если после отключения прошло более 30 минут, будет произведён "тёплый " старт и GPS приёмник снова начнёт собирать данные эфимериса. Если GPS приёмник был перевезён (в выключенном состоянии) на несколько сотен километров или внутренние часы стали показывать неточное время, то данные имеющегося альманаха являются неверными. В таком случае навигатору требуется выполнить новый "поиск неба" (переинициализация) для загрузки нового альманаха и эфимериса. Это уже будет "холодный " старт.

Иногда бывает такая ситуация, что GPS приёмник долго не может "поймать" спутники. При этом на экране "Спутники" отображается пустое небо без номеров спутников. Оживить GPS поможет программка GPS Utility. Кроме неё, Вам потребуется рабочий GPS приёмник. С помощью программы Вы можете выкачать альманах из рабочего приёмника в ПК, а потом, подключив "мёртвый" GPS, закачать в него.

GPS приемники

GPS-приёмник - радиоприёмное устройство для определения географических координат текущего местоположения антенны приёмника, на основе данных о временных задержках прихода радиосигналов, излучаемых спутниками группы NAVSTAR.

Максимальная точность измерения составляет 3-5 метров, а при наличии корректирующего сигнала от наземной станции - до 1 мм (обычно 5-10мм) на 1 км расстояния между станциями (дифференциальный метод). Точность коммерческих GPS-навигаторов составляет от 150 метров (у старых моделей при плохой видимости спутников) до 3 метров (у новых моделей на открытом месте). Кроме того, при использовании систем SBAS и местных систем передачи поправок точность может быть повышена до 1-2 метров по горизонтали. До 1 мая 2000 года точность искусственно занижалась путем внесения в передаваемые спутником данные помех.

На базе GPS-приёмников создаются как самостоятельные устройства - GPS-навигаторы, GPS-трекеры, имеющие собственный процессор для необходимых расчётов и (в основном, у навигаторов) дисплей для отображения информации, и GPS-приставки к КПК и ноутбукам, которые бывают беспроводные (BlueTooth) и проводные (USB, RS-232). Последние также жаргонно называют GPS-мышками из-за внешнего сходства с компьютерными мышами. Помимо этих устройств, для GPS-навигации используются онбордеры (встроенные автомобильные компьютеры).

Оборудование условно делится на пользовательское и профессиональное. Профессиональное отличается качеством изготовления компонент (особенно антенн) и ПО, поддерживаемыми режимами работы (например RTK, binary data output), рабочими частотами (L1+L2), алгоритмами подавления многолучевости, солнечной активности (влияние ионосферы), поддерживаемыми системами навигации (например GPS - ГЛОНАСС приёмники) и, разумеется, ценой. Приемники бывают одноканальными и многоканальными.

Одноканальным GPS приёмникам приходиться осуществлять последовательно захват каждого GPS спутника. По этому каналу осуществляется как слежение за спутниками, так и передача технической информации о состоянии спутника и системы в целом.

Многоканальные GPS приёмники используют несколько каналов для слежения за несколькими спутниками одновременно. Многоканальные GPS приёмники работают более эффективно, чем одноканальные приёмники. В идеальных условиях, со стационарно расположенным C/A кодовым приёмником, когда нет никаких препятствий закрывающих видимость спутников, многолучёвого переотражения или других факторов снижающих точность, разница практически будет незаметна. Однако в реальных условиях, когда приёмник передвигается или сигнал от спутников может прерываться, приёмники с большим числом каналов будут работать лучше. Вам необходимо иметь, по крайней мере, 4-х канальный GPS приёмник для выполнения высокоточных работ с использованием фазовых измерений. Это связанно с тем, что фазовому приёмнику требуется один канал на каждый спутник для выполнения измерений.

Спутниковый GPS сигнал может быть принят из любого направления. Для получения наилучшего результата, антенну необходимо установить в районе с максимально открытым участком неба (вплоть до горизонта).

От чего зависит точность определения координат GPS приёмников?

GPS приёмник 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, приёмник также может рассчитать скорость и направление Вашего движения.

Прямая видимость необходима для устойчивого приёма сигнала со спутника. В автомобиле, среди высоких зданий, в горах или в глубоких ущельях возможности приёмника 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 приёмника, является геометрия спутников. Простыми словами, понятие “геометрия спутников” означает то, как они расположены относительно друг друга и GPS приёмника. Если, например, приёмник “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 возрастёт.

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 приёмной антенны. Такому сигналу требуется больше времени для достижения приёмника, чем прямому. Это увеличение времени заставляет приёмник 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 всё же всегда присутствуют, но не превышают нескольких метров. Этого вполне достаточно для решения задач навигации подвижных объектов (туристы, автомобили, самолёты, корабли и т.д.).

Глобальные системы координат и отсчетов.

С наступлением космической эры, наконец, удалось взглянуть на землю со стороны, более точно определить ее форму, размеры и корректно "порезать" на параллели и меридианы. В результате в США появился эллипсоид WGS84 и одноименная с ним общеземная система координат, а в СССР система координат "Параметры земли ПЗ-90" , которые отличаются между собой всего на полметра. В Европе уже тоже есть своя система, предназначенная для, пока еще не существующей, навигационной системы Galileo.

Эталонной считается "Международная земная система отсчета" (ITRF) . Ее положение в теле земли круглосуточно контролируется спутниковыми измерениями координат нескольких сотен пунктов по всему земному шару. Точность ее такова, что на координаты в ней влияют не только движения материков по нескольку сантиметров в год, но и таяние ледников, и крупные землетрясения. Поэтому параметры этой системы публикуются ежегодно, а координаты пунктов в этой системе даются с обязательным указанием эпохи (года) когда эти координаты были измерены. Так, WGS84 привязана к системе ITRF эпохи 1984, а ПЗ-90 соответственно к ITRF 1990.

Системы координат спутниковых навигационных систем WGS84 и ПЗ-90 тоже не отстаются неизменными. Они становятся более точными и более удобными для использования. WGS84 за время своего существования утоянялась 3 раза. В настоящее время используется версия WGS84 G1150. Правда изменения настолько малы, что пользователи бытовых GPS навигаторов могут считать, что их не было.

Совсем другая ситуация с российской ПЗ-90. В ноябре 2007 года система была изменена и стала называться ПЗ-90.02. Параметры ее изменились сразу на несколько метров, но зато, она стала почти совпадать с ITRF и WGS84. Опять же, для пользователей навигаторов, теперь можно считать их идентичными.

Координаты в глобальных системах измеряют не в градусах, а в метрах знакомой нам со школы трехмерной декартовой системе, где ось Z направлена от центра земли на северный полюс, ось X пересекает гринвичский меридиан, а ось Y направлена, как всегда, вбок.

В глобальных системах отсчета не делают карт и их эллипсоиды не являются референсными. Их задача взаимоувязка разных датумов разных стран и регионов и определение коэффициентов для точного пересчета координат из одной системы в любую другую и обратно. Исключение составляет WGS84, которая, благодаря GPS, стала такой популярной, что изготовление карт на ее базе - занятие, хоть и не вполне законное, но весьма распространенное.

Координаты и датумы в спутниковых навигаторах.

Если опустить геодезические тонкости, то для нас датум - это размеры эллипсоида, принятого за основу в данной стране (так называемый опорный или референц эллипсоид) плюс коэффициенты, характеризующие его смещение и поворот, для совмещения с территорией данной страны. В практике спутниковой навигации набор из пяти коэффициентов для пересчета координат из WGS-84 в данную систему координат и называются датумом этой системы .

Чтобы не иметь проблем - запомните раз и навсегда: все GPS-навигаторы все вычисления производят в своей родной системе WGS-84 ! В этой же системе они сохраняют в своей памяти точки, треки и маршруты. В ней же принято передавать координаты в компьютеры и другие устройства и сохранять данные в файлы. Координаты дорог, населенных пунктов, гор и озер в загруженной в навигатор карте тоже хранятся в WGS, не зависимо от того, в какой системе эта карта была построена. ГЛОНАСС приемники делают то же самое, но в своей ПЗ-90.

Даже если ваш GPS приемник умеет передавать данные в системе отличной от WGS-84, а программа умеет такие данные принимать, никогда этого не делайте! В лучшем случае вы потеряете точность на двух лишних преобразованиях, а в худшем ваши точки "уедут" метров на 150 и вы долго будете спрашивать на форумах, почему.

Для пользования навигатором вам вообще не нужны никакие другие датумы кроме WGS-84. В этой системе вы можете хранить координаты, передавать их друзьям, публиковать в Интернете. По таким координатам вас быстро найдет спасательная служба любой страны, несмотря на то, что у них, возможно, принята другая система. Другой датум может понадобиться вам только в том случае, если у вас есть бумажная карта в другой системе координат, и вы захотите найти текущую точку на этой карте или ввести в навигатор координаты точки, определенные по карте. Вот для этого, и только для этого, в навигаторе нужно менять датум.

Изменение настройки датума в навигаторе никоим образом не меняет алгоритм его работы. Он все вычисляет, хранит и передает, как и прежде в WGS-84, и только тогда, когда координаты нужно показать на экране, присчитывает их в нужную вам систему. Координаты, введенные вами с клавиатуры, он, прежде всего, преобразует в WGS и потом поступает с ними как обычно.

В большинстве навигаторов есть целый список датумов, которые можно выбрать. Если, как назло, в этом списке нет именно того датума, который вам нужен - не отчаивайтесь. Там есть датум под названием "User" или "пользовательский". Выберите его и вручную введите коэффициенты для преобразования WGS-84 в датум, который вам нужен. Где взять эти коэффициенты - это уже отдельный вопрос.

Если вы поменяли датум в навигаторе, во избежание проблем, предупреждайте всех, кому вы тем или иным способом пытаетесь передать какие-то координаты, что они не в WGS-84.

Форматы отображения координат

Этот вопрос не связан с датумами, но тоже может стать источником серьезных проблем.
На уроках географии нас учили, что координаты задаются в угловых градусах, минутах и секундах. Многие, но, как ни странно, не все, еще помнят, что в градусе 60 минут, а в минуте 60 секунд. Спутниковые навигаторы так точны, что угловые секунды показывают еще и с десятичными долями после десятичной точки. Например, координаты известного в Крыму водопада Джур-Джур будут показаны так:

44°48"19.44"N 34°27"35.52"E
чаще вот так
44 48 19.44N 34 27 35.52E

Такой формат обозначатся в литературе и в настройках навигаторов как DD MM SS.SS - градусы (degrees), минуты (minutes) секунды (seconds). Но он не является единственным. В спутниковой навигации чаще используется другой формат - DD MM.MMMM (градусы и минуты с десятичными долями). Тот же водопад в этом формате:

44°48.3240"N 34°27.5920"E

Многим программам и Excel-ным таблицам необходимы координаты в градусах обычным действительным числом - DD.DDDDDD. Очень часто в таком формате координаты записываются в файлы и передаются по кабелям. Вот так:

44.805400N 34.459867E
или даже так
44.805400, 34.459867

Если вы в состоянии умножать и делить на 60, то ничего сложного здесь нет. Главное не перепутать и не запутать других.

Во всех навигаторах можно выбрать как минимум любой из трех перечисленных форматов. Часто там предусмотрен еще и вывод координат в метрах UTM или UserGrid. Такие координаты очень удобны при работе с бумажными картами. Поэтому, мы и говорить о нем будем там, где будем говорить о картах...

При написании статьи использованы материалы с сайтов

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.

Как прочитать координаты GPS. Прежде чем мы углубимся в чтение координат GPS, важно, чтобы вы хорошо разбирались в системе GPS и имели базовые знания о географических линиях широты и долготы. Как только вы это поймете, и прочитаете свои координаты, вы сможете попрактиковаться с онлайн-инструментами.

Введение в GPS


GPS расшифровывается как Глобальная система определения местоположения; система, которая используется во всем мире для навигации и геодезии. Она широко используется для точного определения своего местоположение в любой точке на поверхности Земли и получения текущего времени в определенном месте.

Это стало возможным благодаря сети из 24 искусственных спутников, называемых спутниками GPS, которые движутся вокруг Земли с большой скоростью и точностью. Используя маломощные радиоволны, устройства могут связываться со спутниками, чтобы точно определять свое местоположение на земном шаре.

Первоначально система использовалась только военными, система GPS стала доступной для использования в гражданских целях почти 30 лет назад. Она поддерживается Министерством обороны США.

Широта и долгота

Система GPS использует географические линии широта и долгота, чтобы обеспечить координаты местоположения человека или места объекта. Чтение и понимание GPS координат требует базового понимание навигации с использованием линии широты и долготы. Используя оба набора линий обеспечивается координата для различных мест по всему миру.


Линии широты

Линии широты — это горизонтальные линии, которые тянутся с востока на запад по всему земному шару. Самая длинная и главная линия широты называется экватором. Экватор представлен в виде 0 ° широты.

Двигаясь к северу от экватора, каждая линия широты увеличивается на 1 °. Таким образом, будут линии широты, представляющие 1 °, 2 °, 3 °, и так далее до 90 °. Изображение выше отображает только 15 °, 30 °, 45 °, 60 °, 75 ° и 90 ° линии широты над экватором. Вы заметите, что 90 ° линия широты изображается точкой на Северном полюсе.

Все линии широты над экватором обозначены буквой «N» для обозначения к северу от экватора. Таким образом, мы имеем 15 ° с.ш., 30 ° с.ш., 45 ° с.ш., и так далее.

Двигаясь к югу от экватора, каждая линия широты также увеличивается на 1 °. Будут линии широты, представляющие 1 °, 2 °, 3 ° и т. Д. До 90 °. На изображении выше показаны только линии широты 15 °, 30 ° и 45 ° ниже экватора. Линия 90 ° широты представлена ​​точкой на Южном полюсе.

Все линии широты ниже экватора обозначается буквой ‘S’, чтобы обозначаться к югу от экватора. Таким образом, мы имеем 15 ° ю.ш, 30 ° ю.ш, 45 ° ю.ш, и так далее.

Линии Долготы

Линии долготы представляют собой вертикальные линии, которые простираются от Северного полюса до Южного полюса. Основная линия долготы называется нулевой меридиан. Меридиан представлен как 0 ° долготы.

Двигаясь к востоку от нулевого меридиана каждая линия широты увеличивается на 1 °. Таким образом, будут линии долготы, представляющие 1 °, 2 °, 3 °, и так далее до 180 °. Изображение показывает только 20 °, 40 °, 60 °, 80 ° и 90 ° линии долготы к востоку от меридиана.

Все линии долготы к востоку от меридиана обозначены буквой «Е» для обозначения к востоку от Главного Меридиана. Таким образом, мы имеем 15 ° в.д., 30 ° в.д., 45 ° в.д., и так далее.

Двигаясь к западу от меридиана, каждая широта также увеличивается на 1 °. Там будут линии долготы, представляющие 1 °, 2 °, 3 ° и т. д. до 180 °. На изображении выше показаны только линии 20 °, 40 ° 60 °, 80 ° и 90 ° к западу от нулевого-меридиана.

Все линии долготы к западу от меридиана обозначены буквой «W» для обозначения к западу от меридиана. Таким образом, мы имеем 15 ° з.д, 30 ° з.д, 45 ° з.д, и так далее.

Вы можете просмотреть более подробную информацию о линии широты и долготы, наблюдая это видео на YouTube по ссылке ниже:


Чтение Географических координат

Глобальная навигация использует линии широты и долготы, чтобы точно определить конкретное место расположения на поверхности Земли. Оно дается в качестве географических координат.

Пусть Место находится вдоль линии широты 10 ° N и вдоль линии долготы 70 ° W. При изложении координаты местоположения, линии широты всегда указывается первой, а потом линии долготы. Таким образом, координаты этого места будет: 10 ° северной широты, 70 ° западной долготы.
Координаты можно просто записать как 10 ° N, 70 ° W (10 ° с.ш., 70 ° з.д.)

Однако большинство мест на Земле располагаются не вдоль линий широты или долготы, а внутри фигур, созданных из-за пересечения горизонтальных и вертикальных линий. Чтобы точно определить человека на поверхности Земли, линии широты и долготы дополнительно разделены и выражены в одном из трех общих форматов:

1 / градусы, минуты и секунды (DMS)

Пространство между каждой линией широте или долготе, представляющей 1 ° делится на 60 минут, а каждая минута делится на 60 секунд. Пример такого формата:

41 ° 24’12.2 «N 2 ° 10’26.5» E Линия широты читается как 41 градусов (41 °), 24 минут (24 ‘), 12.2 секунд (12.2 «) на север. Линия долготы читается как 2 градуса (2 °), 10 минут (10 ‘), 26,5 секунды (12,2 «) к востоку.

2 / Градусы и десятичные минуты (DMM)

Пространство между каждой линией широты или долготы, представляющей 1 °, делится на 60 минут, а каждая минута делится далее и выражается в десятичных дробях. Пример этого формата:

41 24,2028, 10,4418 2 Линия широты читается как 41 градус (41), 24.2028 минут (24.2028) северной широты. Координата для линии широты представляет север от экватора, потому что она положительна. Если число отрицательное, оно представляет юг от экватора.

Линия долготы читается как 2 градуса (2), 10,4418 минут (10,4418) к востоку. Координата для линии долготы представляет восток Главного меридиана, потому что это положительно. Если число отрицательное, оно представляет запад от меридиана

3 / Десятичные градусы (DD)

Пространство между каждой линией широты или долготы, представляющей 1 °, делится и выражается в десятичных дробях. Пример этого формата:

41,40338, 2,17403
Линия широты читается как 41.40338 градусов на север. Координата для линии широты представляет север от экватора, потому что она положительна. Если число отрицательное, оно представляет юг от экватора.

Линия долготы читается как 2.17403 градуса восточной долготы. Координата для линии долготы представляет восток Главного меридиана, потому что оно положительно. Если число отрицательное, оно представляет запад от меридиана.

Чтение координаты на Google Maps

Большинство устройств GPS предоставляют координаты в формате градусов, минут и секунд (DMS) или чаще всего в формате десятичных градусов (DD). Популярные Google Карты предоставляют свои координаты в форматах DMS и DD.


На рисунке выше показано расположение статуи Свободы на Google Maps. Координаты его расположения являются:

40° 41′ 21.4” N 74° 02′ 40.2” W (DMS) Это читается как:
«40 градусов, 41 минут, 21,4 секунды северной широты и 74 градуса, 2 минуты, 40,2 секунды восточной долготы»

40.689263 -74.044505 (DD) Напомним, что координаты десятичной степени (DD) не имеют букв N или S, указывающих, находится ли координата широты над или ниже экватора. Если нет букв W или E, чтобы указать, является ли долгота координатой к западу или востоку от Первого меридиана.

Это делается с помощью положительных и отрицательных чисел. Поскольку координата широты положительна, координата находится выше экватора. Поскольку координата долготы отрицательна, она находится к западу от нулевого меридиана.

Проверка GPS координаты

Google Maps является отличным инструментом Интернет для проверки координаты мест, представляющих интерес.

Нахождение координат для конкретного места
1 / Открыть Google Maps в https://maps.google.com/ и найти местоположение вашего места интереса.


2 / Щелкните правой кнопкой мыши местоположение и выберите «Что здесь?» В появившемся небольшом меню.

3 / Внизу появится небольшой прямоугольник с указанием названия местоположения и координат в формате десятичных градусов (DD).

Проверка координаты конкретного места

Доступны веб-сайты, которые обеспечивают быстрое преобразование между DMS и DD. Вот ссылка на веб-сайт , который предоставляет координаты DMS и DD для любого конкретного местоположения с помощью Google Maps.

Устройства с поддержкой GPS

Чтобы воспользоваться точной точностью системы GPS, вам необходимо устройство с поддержкой GPS. Эти устройства обмениваются данными напрямую со спутниками GPS, используя маломощные радиоволны. Общаясь по крайней мере с тремя спутниками GPS, устройство может точно определить ваше местоположение на Земле.

GPS навигационные устройства

Такие компании, как Garmin и Magellan, производят специальные GPS-навигационные устройства. Они бывают разных размеров и могут напоминать смартфон или планшет. Эти устройства имеют специальное встроенное программное обеспечение, которое использует систему GPS, чтобы помочь людям найти кратчайший путь к определенному месту, найти интересные места и многое другое. Они обычно используются в транспортных средствах, походах и определенных спортивных состязаниях.


Вверху — изображение навигационного устройства GPS; Магеллан RoadMate 2255T-LMB.

Смартфоны

Большинство смартфонов, особенно телефонов высокого класса, поддерживают GPS и могут использоваться в качестве навигационного устройства, если у вас установлены правильные приложения.

Мобильные компьютеры

Некоторые ноутбуки и нетбуки поддерживают GPS и предоставляют навигационную информацию в пути.

Компьютерные периферийные устройства

Устройства, подключающиеся к компьютеру через USB, Bluetooth или слоты расширения, позволяют компьютеру использовать систему GPS.

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.

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.

Спутники
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.)
Объяснения работы
  • Глобальные Навигационные Спутниковые Системы (GNSS). Как это работает? , gps-club.ru
Совместимость с Gallileo и ГЛОНАСС
  • Галилео и GPS (англ.)
  • Совместное заявление по обеспечению взаимодополняемости и совместимости ГЛОНАСС и GPS ((недоступная ссылка) , копия)
Разное

 

 
Это интересно: