Оновлення 

Система супутникової навігації GPS - принцип, схема, застосування.  Принципи супутникової навігації Принцип роботи GPS

Навігація - це визначення координатно-часових параметрів об'єктів.

Першим ефективним засобом навігації було визначення місця розташування по видимим небесним тілам (сонце, зірки, місяць). Інший найпростіший спосіб навігації це прив'язка до місцевості, тобто. визначення місця розташування щодо відомих орієнтирів (водонапірні вежі, лінії електропередач, шосейні та залізниці та ін.).

Системи навігації та позиціонування призначені для постійного контролю за місцезнаходженням (станом) об'єктів. В даний час існує два класи засобів навігації та позиціонування: наземні та космічні.

До наземних відносять стаціонарні, возимі та переносні системи, комплекси, станції наземної розвідки, інші засоби навігації та позиціонування. Принцип їх дії полягає в контролі радіоефіру за допомогою спеціальних антен, що підключаються до скануючих радіостанцій, і виділення радіосигналів, випромінюваних радіопередавачами об'єктів стеження або випромінюваних самим комплексом (станцією) і відбитих від об'єкта стеження або від спеціальної мітки або кодового бортового датчика об'єкт. При використанні такого роду технічних засобів є можливість отримати інформацію про координати місцезнаходження, напрям і швидкість переміщення контрольованого об'єкта. За наявності на об'єктах стеження спеціальної мітки або КБД пристрої ідентифікації, що підключаються до систем, дозволяють не лише відзначати розташування контрольованих об'єктів на електронній карті, а й відповідним чином розрізняти їх.

Космічні системи навігації та позиціонування поділяються на два типи.

Перший тип космічних систем навігації та позиціонування відрізняє застосування на мобільних об'єктах стеження спеціальних датчиків – приймачів супутникової навігаційної системи типу ГЛОНАСС (Росія) чи GPS (США). Навігаційні приймачі рухомих об'єктів стеження приймають від навігаційної системи радіосигнал, який містить координати (ефемериди) супутників на орбіті та відлік часу. Процесор навігаційного приймача, за даними від супутників (як мінімум, від трьох) розраховує географічну широту та довготу його місцезнаходження (приймача). Ця інформація (географічні координати) може бути візуалізована як на самому навігаційному приймачі, за наявності пристрою виведення інформації (дисплея, монітора), так і в пункті стеження, при її передачі від навігаційного приймача рухомого об'єкта за допомогою радіозв'язку (радіального, конвенційного, транкінгового, стільникового) , Супутниковий).

Другий тип космічних систем навігації та позиціонування відрізняє скануючий прийом (пеленг) на орбіті сигналів, що надходять від радіомаяків, встановлених на об'єкті стеження. Супутник, який приймає сигнали від радіомаяків, як правило, спочатку накопичує, а потім у певній точці орбіти передає інформацію про об'єкти стеження в наземний центр обробки даних. Час доставки інформації у своїй дещо збільшується.


Супутникові навігаційні системи дозволяють:

  • здійснювати безперервний контроль та стеження за будь-якими рухомими об'єктами;
  • відображати на електронній карті диспетчера координати, маршрут та швидкість руху об'єктів контролю та стеження (з точністю визначення координат та висоти над рівнем моря до 100 м, а в диференціальному режимі – до 2…5 м);
  • оперативно реагувати на позаштатні ситуації (зміна очікуваних параметрів на об'єкті контролю та стеження або у його маршруті та графіку руху, сигнал SOS тощо);
  • оптимізувати маршрути та графіки руху об'єктів контролю та стеження.

В даний час функції спеціалізованих систем навігації та позиціонування (автоматичне відстеження поточного розташування абонентських апаратів, терміналів зв'язку з метою забезпечення роумінгу та надання послуг зв'язку) з відносною точністю можуть виконувати супутникові та стільникові (за наявності на базових станціях апаратури визначення місцезнаходження) системи радіозв'язку.

Широке використання систем навігації та позиціонування, повсюдна установка відповідної апаратури у мережах стільникового зв'язку Росії з метою визначення та постійного контролю місцезнаходження працюючих передавачів, патрулів, транспорту, інших об'єктів, які становлять інтерес органів внутрішніх справ, міг би значно розширити можливості правоохоронної діяльності.

Основний принцип позиціонування за допомогою супутникових навігаційних систем - використання супутників як точки відліку.

Для того, щоб визначити широту та довготу наземного приймача, приймач повинен отримувати сигнали не менше ніж від трьох супутників та знати їх координати та відстань від супутників до приймача (рис. 6.8). Координати вимірюються щодо центру землі, що має координату (0, 0, 0).

Відстань від супутника до приймача обчислюється за виміряним часом розповсюдження сигналу. Ці обчислення виконати нескладно, оскільки відомо, що електромагнітні хвилі поширюються зі швидкістю світла. Якщо відомі координати трьох супутників і відстані від них до приймача, приймач може обчислити одне з двох можливих місць у просторі (точки 1 і 2 рис. 6.8). Зазвичай приймач може визначити, яка з цих двох точок дійсна, оскільки одне значення розташування має безглузде значення.

Мал. 6.8. Визначення розташування сигналів від трьох супутників

На практиці, для виключення помилки годинника генератора, що впливає на точність вимірювань різниці в часі, необхідно знати місце та відстань до четвертого супутника (рис. 6.9).

Мал. 6.9. Визначення розташування за сигналами від чотирьох супутників

В даний час існують і активно використовуються дві супутникові навігаційні системи – ГЛОНАСС та GPS.

Супутникові навігаційні системи включають три складові частини (рис. 6.10):

  • космічний сегмент , куди входить орбітальна угруповання штучних супутників Землі (іншими словами, навігаційних космічних апаратів);
  • сегмент управління, наземний комплекс управління (ПКУ) орбітальним угрупуванням космічних апаратів;
  • апаратура користувачів системи

Мал. 6.10. Склад супутникових навігаційних систем

Космічний сегмент системи ГЛОНАСС складається з 24 навігаційних космічних апаратів (НКА), що знаходяться на кругових орбітах заввишки 19100 км, нахилом 64,5° та періодом обігу 11 год 15 хв у трьох орбітальних площинах (рис. 6.11). У кожній орбітальній площині розміщуються по 8 супутників з рівномірним зсувом широтою 45°.

Космічний сегмент навігаційної системи GPS складається з 24 основних НКА та 3 резервних. НКА знаходяться на шести кругових орбітах висотою близько 20 000 км, нахилом 55 °, рівномірно рознесених по довготі через 60 °.

Мал. 6.11. Орбіти супутників ГЛОНАСС та GPS

Сегмент наземного комплексу управління системи ГЛОНАСС виконує такі функції:

  • ефемеридне та частотно-тимчасове забезпечення;
  • моніторинг радіонавігаційного поля;
  • радіотелеметричний моніторинг НКА;
  • командне та програмне радіоуправління НКА.

Для синхронізації шкал часу різних супутників з необхідною точністю на борту НКА використовують цезієві стандарти частоти з відносною нестабільністю близько 10 -13 с. На наземному комплексі управління використовується водневий стандарт із відносною нестабільністю 10 -14 с. Крім того, до складу ПКУ входять засоби корекції шкал часу супутників щодо еталонної шкали з похибкою 3-5 нс.

Наземний сегмент забезпечує ефемеридне забезпечення супутників. Це означає, що на землі визначаються параметри руху супутників і прогнозуються значення цих параметрів на певний проміжок часу. Параметри та їх прогноз закладаються у навігаційне повідомлення , яке передається супутником поруч із передачею навігаційного сигналу. Сюди ж входять частотно-часові виправлення бортової шкали часу супутника щодо системного часу. Вимірювання та прогноз параметрів руху НКА проводяться у Балістичному центрі системи за результатами траєкторних вимірювань дальності до супутника та його радіальної швидкості.

Апаратура користувачів системи це радіотехнічні пристрої, призначені для прийому та обробки радіонавігаційних сигналів навігаційних космічних апаратів для визначення просторових координат, що становлять вектор швидкості руху і поправки шкал часу споживача глобальної навігаційної супутникової системи.

Приймач визначає місце розташування споживача, який відбирає зі всіх спостережуваних супутників найбільш сприятливі в частині забезпечення точності навігації. За далекостями до обраних супутників він визначає довготу, широту і висоту споживача, і навіть параметри його руху: напрям і швидкість. Отримані дані відображаються на дисплеї у вигляді цифрових координат або відображаються на карті, попередньо скопійованій до приймача.

Приймачі супутникових навігаційних систем є пасивними, тобто. вони не випромінюють сигнали та не мають зворотного каналу зв'язку. Це дозволяє мати необмежену кількість споживачів навігаційних систем зв'язку.

Велике поширення наразі набули системи моніторингу руху об'єктів на основі супутникових навігаційних систем. Структура такої системи показано на рис. 6.12.

Мал. 6.12. Структура системи моніторингу

Навігаційні приймачі, встановлені на об'єктах стеження, приймають сигнали від супутників та обчислюють свої координати. Але, оскільки навігаційні приймачі це пасивні устрою, то системі необхідно передбачити систему передачі обчислених координат до центру моніторингу. Як засоби передачі даних про координати об'єкта спостереження можуть служити УКХ-радіомодеми, GSM/GPRS/EDGE-модеми (мережі 2G), мережі третього покоління, що працюють за протоколами UMTS/HSDPA, CDMA-модеми, системи супутникових систем зв'язку та ін.

Центр моніторингу супутникової навігаційно-моніторингової системи призначений для спостереження за об'єктами, на яких встановлено (міститься) навігаційно-зв'язне обладнання з метою контролю окремих його параметрів (місце розташування, швидкості, напрямки руху) та прийняття рішення на ті чи інші дії.

У центрі моніторингу містяться програмно-технічні засоби обробки інформації, що забезпечують:

  • прийом, обробку та зберігання інформації, що надходить від об'єктів спостереження;
  • відображення на електронній карті місцевості інформації про місцезнаходження об'єктів спостереження.

Навігаційно-моніторинговою системою органів внутрішніх справ вирішуються такі завдання:

  • забезпечення автоматизованого контролю персоналом чергової частини за розстановкою екіпажів транспортних засобів;
  • забезпечення персоналу чергової частини інформацією про місцезнаходження транспортних засобів для прийняття управлінських рішень при організації оперативного реагування на обставини відповідальності;
  • відображення у графічному форматі інформації про позиціювання транспортних засобів та іншої службової інформації на автоматизоване робоче місце оператора;
  • формування та зберігання архіву про маршрути руху екіпажів транспортних засобів у період несення ними служби;
  • видача статистичної звітності про виконання норм обов'язкового виставлення сил та засобів протягом чергової зміни, зведених параметрах ефективності використання сил та засобів, показниках контролю зон відповідальності.

Для забезпечення високої надійності та достовірності передачі моніторингової інформації від бортового обладнання автотранспорту підрозділів МВС Росії у чергові чисти у складі системи необхідно використовувати резервний канал передачі даних, як який можна використовувати

Супутникові навігаційні системи GPS та ГЛОНАСС створювалися виходячи з певних вимог, що відповідають їхньому прямому призначенню. Передбачалася їх глобальність; незалежність від метеорологічних умов, рельєфу місцевості, ступеня рухливості об'єкта; безперервність роботи та цілодобова доступність; схибленість; компактність апаратури споживача та ін.

Громадянські застосування СНР, що розвинулися вже після розробки концепції систем ГЛОНАСС та GPS, особливо такі, як управління цивільним повітряним рухом, навігацією суден, рятувальні роботи, висувають до СНР підвищені вимоги щодо доступності, цілісності та безперервності обслуговування. Дамо визначення цим важливим термінам:

Доступність (готовність) - ступінь ймовірності працездатності СНР перед її застосуванням та в процесі застосування.

Цілісність – ступінь ймовірності виявлення відмови системи протягом заданого часу чи швидше.

Безперервність обслуговування – ступінь ймовірності збереження безперервної працездатності системи на заданому проміжку часу.

Під заданим проміжком часу, зазвичай, мається на увазі відрізок часу, найважливіший з практичної погляду, наприклад, час заходу авіалайнера на посадку. Нині серед цивільних застосувань найбільш критичним до працездатності СНР є управління повітряним рухом, включаючи навігаційне забезпечення повітряних суден. Вимоги до доступності залежать від етапів польоту та інтенсивності повітряного руху. Доступність при маршрутному польоті має бути не гірше 0,999…0,99999; при польоті в зо-ні аеродрому та некатегорованому заході на посадку не гірше 0,99999. Вимоги до цілісності досягають, відповідно до вимог ІКАО, значення 0,999999995 за допустимого часу попередження не більше 1 с. Наведені дані показують, наскільки великі вимоги до надійності СНР споживачами.

У СНР ГЛОНАСС та GPS високі експлуатаційні характеристики на структурному рівні досягаються шляхом спільного функціонування трьох основних сегментів:

Космічний сегмент;

Сегмент управління;

Сегмент споживачів.

Крім основних сегментів існує таке функціональне доповнення, як диференціальна підсистема (DGPS) та ряд допоміжних елементів: спеціальні канали наземного та космічного зв'язку, засоби виведення супутників на орбіту тощо.

Основу концепції СНР ГЛОНАСС та GPS склали незалежність та беззапитовість навігаційних визначень. Незалежність має на увазі визначення шуканих навігаційних данихрудування, але при сучасному рівні розвитку електроніки подібне ускладнення вже не має значення. Беззапитовість системи означає, що це обчислення в апаратурі споживача обчислюються лише з урахуванням пасивно прийнятих сигналів від НКА з наперед точно відомими орбітальними координатами. У свою чергу відсутність необхідності передавати запит від споживача до НКА дозволяє зробити обладнання споживача вельми компактним і економічним.

Космічний сегмент.

Точність місцевизначення та стабільність функціонування СНР великою мірою залежить від взаємного орбітального розташування супутників і параметрів їх сигналів. Зазвичай, потрібно, щоб у зоні видимості споживача перебували щонайменше 3 - 5 НКА. Насправді орбітальна структура будується в такий спосіб, що більшість споживачів постійно видно понад 6 НКА і споживач має можливість вибирати оптимальне сузір'я за певним алгоритмом, закладеним в обчислювач приймача. Крім діючих НКА, завершена СНР має у своєму складі кілька резервних супутників, які можуть бути оперативно введені для заміни вийшли з ладу або для збільшення ступеня покриття певного регіону. Діючі НКА можуть бути перегруповані (в обмежених межах) за командою із наземної станції управління. Середньовисотні орбіти, що діють в даний час, з висотою близько 20 000 км дозволяють приймати сигнали кожного НКА майже на половині поверхні Землі, що забезпечує безперервність радіонавігаційного поля і достатню надмірність при виборі оптимального сузір'я НКА. Системи GPS і ГЛОНАСС часто називають мережевими СНР, оскільки принципове значення для їх функціонування має взаємна синхронізація НКА за орбітальними координатами і параметрами сигналів, що випромінюються, тобто. об'єднання групи НКА у мережу.

Основне значення НКА - формування та випромінювання сигналів, необхідних для вирішення споживачем задачі позиціонування та контролю справності самого НКА. До складу стандартного НКА входять: радіопередавальне обладнання для передачі навігаційного сигналу та телеметричної інформації; радіоприймальне обладнання для прийому команд наземного комплексу управління; антени; бортова ЕМВ; бортовий зразок часу та частоти; сонячні батареї; акумуляторні батареї; системи орієнтації на орбіті тощо. Сучасні НКА можуть нести супутнє обладнання, як-от детектори для виявлення наземних ядерних вибухів та елементи систем бойового управління.

Випромінені НКА сигнали містять далекомірну та службову складові. Дальномірна складова використовується споживачами безпосередньо визначення навігаційних параметрів - дальності до НКА, вектора швидкості споживача, його просторової орієнтації тощо. Службова складова містить інформацію про координати супутників, шкалу часу, вектори швидкостей НКА, справність і т.д. В основному, службова інформація готується командно-вимірювальним комплексом і закладається в бортову пам'ять НКА під час сеансу зв'язку. І лише незначна її частина формується бортовою апаратурою. Процедура перенесення службової інформації з командного комплексу на згадку про бортовий ЕОМ часто називається завантаженням даних.

Дальномірна складова містить компоненти стандартної та високої точності. Стандартна точність вимірів доступна всім споживачам, а висока - лише авторизованим, тобто. які мають дозвіл військових контролюючих органів. Розмежування доступу досягається шляхом кодування сигналів високої точності.

У разі військових дій можливі спроби як постановки навмисних перешкод із єдиною метою придушення сигналу СНС (джамінг), і спроби нав'язування (спуфінг), тобто. підміни сигналу та введення в приймальну апаратуру противника свідомо неправдивої інформації за допомогою сторонніх передавачів. Оскільки в літературі дуже рідко зустрічається чітке тлумачення терміну «антиспуфінг» стосовно СНР, слід особливо наголосити, що йдеться саме про захист від нав'язування.

Сегмент керування.

Сегмент управління складається з головної станції, поєднаної з обчислювальним центром; групи контрольно-вимірювальних станцій (КІС), пов'язаних з головною станцією та між собою каналами зв'язку; наземного зразка часу та частоти. Контрольно-вимірювальні станції намагаються розміщувати як можна рівномірніше по поверхні Землі, узгоджуючись з геополітичними факторами та економічною доцільністю. Координати КІС (фазового центру антени) визначені у трьох вимірах з максимально доступною точністю. При прольоті НКА в зоні видимості КІС, вона здійснює спостереження за супутником, приймає навігаційні сигнали, здійснює первинну обробку інформації та здійснює обмін даними з головною станцією. На головній станції відбувається збір інформації від усіх КІС, її математична обробка та обчислення різних координатних та коригувальних даних, що підлягають завантаженню в бортову ЕОМ НКА.

Дані, що підлягають завантаженню, поділяються на оперативні, що оновлюються за кожного сеансу зв'язку, і довгострокові. У разі виникнення нештатної ситуації можливе проведення позапланових сеансів зв'язку та завантаження даних за умови знаходження НКА у зоні видимості однієї з КІС.

Наземний зразок часу і частоти має більш високу точність, ніж бортові зразки і призначений для синхронізації всіх процесів, що відбуваються в СНР і корекції бортових зразків.

Поєднання незалежності та беззапитовості надає СНР необмежену пропускну здатність - довільна кількість споживачів може використовувати сигнали СНР у будь-який момент часу.

Сегмент споживачів

Сегмент споживачів можна умовно розбити втричі частини: військові організації; громадські організації; приватні особи. Незалежно від призначення споживчого обладнання, в ньому присутні радіочастотний тракт, в якому відбувається прийом радіосигналів НКА та їх первинна обробка, та обчислювач, призначений для вторинної обробки сигналу, виділення навігаційної інформації, реалізації алгоритму обчислення оптимального сузір'я та обчислення просторових координат та вектора швидкості споживача. Зазвичай спочатку визначаються поточні координати НКА та дальності до них, потім обчислюються географічні координати споживача. Вектор швидкості споживача обчислюється шляхом вимірювання зсувів доплерівських частоти НКА при відомих векторах швидкості супутників. Для некритичних транспортних застосувань вектор швидкості може розраховуватись по різниці координат у два фіксовані моменти часу. Далі, залежно від призначення приймача, інформація може надходити пристрій відображення, в канал передачі, або на блок управління зовнішніми виконавчими механізмами.

Визначення поточних координат НКА.

Незважаючи на деяку схожість з радіомаячними навігаційними системами (беззапитовість, далекомірний метод), СНР мають також і суттєві відмінності. Координати радіомаяків незмінні і наперед відомі, тоді як координати НКА необхідно постійно знаходити. Визначення поточних координат НКА, що рухаються з великими непостійними щодо споживача швидкостями являє собою складне технічне та обчислювальне завдання.

За існуючого підходу до побудови СНР максимально можливий обсяг обчислень намагаються перенести на наземний комплекс управління. Контрольно-вимірювальні станції розташовані на обмежених територіях та не забезпечують безперервне спостереження за НКА. За наслідками доступних спостережень у обчислювальному центрі головної командної станції обчислюються параметри орбіт НКА. Вони піддаються математичної обробки за алгоритмами усунення похибок. Потім на підставі оброблених даних складається прогноз параметрів орбіти у фіксовані (опитувальні) моменти часу аж до вироблення наступного прогнозу.

Спрогнозовані параметри орбіти та їх похідні називаються ефемеридами. Під час сеансу зв'язку ефемериди передаються на НКА, а потім у вигляді навігаційного повідомлення, що містить ефемериди та відповідні позначки часу - споживачам. Знаючи передбачувані параметри орбіти і точні координати НКА в моменти часу, споживач може обчислити координати НКА в довільний момент часу. Крім ефемерид в навігаційне повідомлення закладається альманах - набір відомостей про поточний стан СНР в цілому, включаючи загрублені ефемериди, які застосовуються для пошуку видимих ​​НКА та вибору оптимального сузір'я.

Загальноприйняті одиниці заходів часу.

Розгляд принципів побудови та функціонування супутникових навігаційних систем неможливий без попереднього ознайомлення з основними поняттями, що належать до одиниць заходів часу. Ці одиниці застосовуються визначення просторового становища НКА, прив'язки сигналів НКА до єдиної шкалою часу тощо.

Прийнято розрізняти дві групи одиниць відліку часу:

Астрономічні;

Неастрономічні.

Основною астрономічною одиницею відліку є доба, розбита на 86400сек і рівні інтервалу часу, протягом якого Земля робить один повний оборот навколо своєї осі щодо певної фіксованої точки відліку на небесній сфері, для нерухомого спостерігача, що знаходиться на поверхні Землі. Характерною особливістю астрономічної доби є те, що в залежності від обраної точки відліку (центр видимого диска Сонця, точка весняного рівнодення тощо), доба має різну тривалість і різниться за назвою.

Зоряна доба. Інтервал часу, відміряний між двома послідовними верхніми кульмінаціями точки весняного рівнодення, називається зоряною добою, або, інакше, зоряним періодом звернення Землі. Час, виміряний на певному меридіані, називається місцевим часом даного меридіана. Тому, у випадку із зірковою добою, говорять про місцевий зоряний час меридіана.

Місцевий зоряний час вимірюється годинниковим кутом положення точки весняного рівнодення щодо небесного меридіана. Під небесним меридіаном розуміють проекцію земного меридіана на умовну поверхню небесної сфери, тому кутовий кут аналогічний географічній довготі, відраховується від меридіана спостерігача за годинниковою стрілкою і вимірюється в годинах, хвилинах, секундах.

Відомо, що вісь обертання Землі здійснює повільні періодичні рухи, що складаються з рухів конусом - прецесій, і невеликих коливань - нутацій. Прецесія та нутації вносять похибку у визначення зоряного часу, оскільки через них переміщується точка весняного рівнодення. Якщо при розрахунках враховують лише прецесію, то одержують середній зоряний час. Коли разом із прецесією враховано і нутацію, то виходить справжній зоряний час. Зоряний час, виміряний на Грінвічському меридіані, називається грінвічським зоряним часом.

Ідея створення супутникової системи навігації народилася у 50-ті роки минулого століття. Американські вчені на чолі з Річардом Кершнером спостерігали сигнал, що виходить від радянського супутника, і виявили, що завдяки ефекту Доплера частота сигналу, що приймається, збільшується при наближенні супутника і зменшується при його віддаленні. Тим самим, точно знаючи свої координати Землі, можна виміряти становище і швидкість супутника, і, знаючи становище супутника, можна визначити власну швидкість і координати.

Перші кроки створення GPS були зроблені американцями в 1964 році із запуском супутників за програмою Timation на навколоземну орбіту. Спочатку GPS замислювався як військова технологія, але в процесі роботи систему вирішили використовувати для цивільних цілей. Для цього спеціальним алгоритмом було зменшено її точність. Радянські вчені розпочали роботу над вітчизняною системою ГЛОНАСС у 76 році. Спочатку вона також мала лише військове призначення.


Система навігації складається з трьох основних сегментів: космічного, керуючого та користувальницького. Космічний представлений 32 супутниками у GPS і 28 у ГЛОНАСС, що обертаються на середній орбіті Землі. Керуючий сегмент складається з кількох станцій моніторингу та наземних антен, корегують дані про розташування об'єктів. транслюють сигнал із космосу, і всі приймачі використовують цей сигнал для обчислення свого положення в просторі координатами в режимі реального часу. Для цього приймач повинен приймати сигнал як мінімум від трьох (а краще за чотири) супутників.

Супутники GPS обертаються навколо Землі за 6 круговими орбітальними траєкторіями по 4 супутники в кожній на висоті 20 180 км. За зіркову добу вони здійснюють два повні витки навколо Землі. Орбіта супутників ГЛОНАСС, на відміну від GPS, розташовується на висоті 19 400 км для більш точного використання в північних і південних полярних регіонах.


Супутники безперервно відправляють сигнал на всю доступну поверхню планети з інформацією про своє розташування і час на власному годиннику. Вони не приймають даних про жодні пристрої-приймачі. Приймач отримує координати супутників та інформацію про час відправлення сигналів та розраховує відстань до кожного супутника. Це виконується програмою шляхом множення швидкості світла на різницю між часом отримання та часом надсилання сигналу.

Завдання ускладнюється тим, що час на годиннику пристрою не збігається з тим, що показує годинник супутників. Крім того, супутники схильні до ефектів релятивістського та гравітаційного спотворення часу. На висоті 20 000 км гравітація досить слабка, а супутники переміщаються з великою швидкістю. Через ці ефекти годинник доводиться коригувати на 38 мілісекунд на добу. Якщо цього робити, то похибка щодо координат на Землі може становити близько 10 км!


Розрахувавши відстань до кожного з трьох-чотирьох супутників, приймач аналізує отримані дані та визначає своє точне місцезнаходження.

Недоліками навігаційних систем є те, що за певних умов сигнал від супутників може не доходити до приймача: наприклад, у підвалі чи тунелі. Також рівень прийому може погіршуватися через велику хмарність і магнітні бурі.

На зміну паперовим картам місцевості прийшли картки електронні, навігація якими здійснюється за допомогою супутникової системи GPS. З цієї статті ви дізнаєтеся, коли з'явилася супутникова навігація, що являє собою зараз і що чекає на неї в найближчому майбутньому.

Під час Другої світової війни у ​​флотилій США та Великобританії з'явився вагомий козир – навігаційна система LORAN, яка використовує радіомаяки. Після закінчення бойових дій технологію у своє розпорядження отримали цивільні судна про-західних країн. Через десятиліття СРСР ввела в експлуатацію свою відповідь – навігаційна система «Чайка», що базується на радіомаяках, використовується донині.

Але наземна навігація має істотні недоліки: нерівності земного рельєфу стають перепоною, а вплив іоносфери негативно позначається на часі передачі сигналу. Якщо між навігаційним радіомаяком та судном занадто велика відстань, похибка визначення координат може вимірюватися кілометрами, що є неприпустимим.

На зміну наземним радіомаякам прийшли супутникові навігаційні системи для військових цілей, перша з яких – американська Transit (інша назва NAVSAT) – була запущена у 1964 році. Шість низькоорбітальних супутників забезпечували точність визначення координат до двох сотень метрів.


1976 року СРСР запустила аналогічну військову навігаційну систему «Циклон», а через три роки – ще й цивільну під назвою «Цікада». Великим недоліком ранніх систем супутникової навігації було те, що скористатися ними можна було лише короткий час протягом години. Низькоорбітальні супутники, та ще й у малій кількості, були здатні забезпечити широке покриття сигналу.

GPS vs. ГЛОНАСС

У 1974 році армія США вивела на орбіту перший супутник нової на той час системи навігації NAVSTAR, яку пізніше перейменували на GPS (Global Positioning System). У середині 1980-х технологію GPS дозволили використовувати цивільним кораблям і літакам, але протягом тривалого часу їм було доступно в рази менш точне позиціонування, ніж військовим. Двадцять четвертий супутник GPS, останній, що вимагався для повного покриття поверхні Землі, запустили в 1993 році.

1982 року свою відповідь представила СРСР – ним стала технологія ГЛОНАСС (Глобальна навігаційна супутникова система). Завершальний 24-й супутник ГЛОНАСС вийшов орбіту 1995 року, але мінімальний термін експлуатації супутників (три-п'ять років) і недостатнє фінансування проекту майже десятиліття вивели систему з ладу. Відновити всесвітнє покриття ГЛОНАСС вдалося лише у 2010 році.


Щоб уникнути подібних збоїв, і GPS, і ГЛОНАСС зараз використовують 31 супутник: 24 основні та 7 резервних, як то кажуть, про всяк «пожежний» випадок. Літають сучасні навігаційні супутники на висоті близько 20 тис. км і за добу встигають двічі облетіти Землю.

Принцип роботи GPS

Позиціонування в мережі GPS проводиться шляхом вимірювання відстані від приймача до декількох супутників, місцезнаходження яких в даний час точно відомо. Відстань до супутника вимірюється множенням затримки сигналу на швидкість світла.
Зв'язок з першим супутником дає інформацію лише про сферу можливих прихильностей приймача. Перетин двох сфер дасть коло, трьох – дві точки, а чотирьох – єдино правильну точку на карті. У ролі однієї зі сфер найчастіше використовують нашу планету, що дозволяє замість чотирьох супутників позиціонуватись лише по трьох. Теоретично точність позиціонування GPS може досягати 2 метрів (на практиці ж похибка значно більша).


Кожен супутник відправляє приймачеві великий набір інформації: точний час та його виправлення, альманах, дані ефемерид та параметри іоносфери. Сигнал точного часу потрібен для вимірювання затримки між його надсиланням та прийомом.

Навігаційні супутники оснащуються високоточним цезієвим годинником, тоді як приймачі - куди менш точними кварцовими. Тому для перевірки часу здійснюється контакт із додатковим (четвертим) супутником.


Але помилятися можуть і цезієві годинники, тому їх звіряють з розміщеним на землі водневим годинником. Для кожного супутника в центрі керування системою навігації індивідуально розраховується виправлення часу, яке згодом разом з точним часом відправляється приймачеві.

Ще одним важливим компонентом системи супутникової навігації є альманах, який є таблицею параметрів орбіт супутників на місяць вперед. Альманах, як і виправлення часу, розраховуються в центрі управління.


Передають супутники та індивідуальні дані ефемерид, на основі яких обчислюються відхилення орбіти. А враховуючи, що швидкість світла ніде крім вакууму не постійна, обов'язково враховується затримка сигналу в іоносфері.

Передача даних у мережі GPS ведеться строго на двох частотах: 1575,42 МГц та 1224,60 МГц. Різні супутники транслюють сигнал на тій самій частоті, але використовують кодовий поділ каналів CDMA. Тобто сигнал супутника – лише шум, розкодувати який можна лише за наявності відповідного PRN-коду.


Вищеописаний підхід дозволяє забезпечити високу стійкість до перешкод і використовувати вузький частотний діапазон. Тим не менш, іноді GPS-приймачам все одно доводиться довго шукати супутники, що викликано низкою причин.

По-перше, приймач спочатку не знає, де знаходиться супутник, видаляється він або наближається і яке усунення частоти його сигналу. По-друге, контакт із супутником вважається вдалим лише тоді, коли від нього отримано повний набір інформації. Швидкість передачі даних у мережі GPS рідко перевищує показник 50 біт/с. А варто сигналу обірватися через радіоперешкоди, як пошук починається заново.


Майбутнє супутникової навігації

Зараз GPS і ГЛОНАСС широко застосовуються в мирних цілях і, по суті, взаємозамінні. Нові навігаційні чіпи підтримують обидва стандарти зв'язку та підключаються до тих супутників, які знаходять першими.

Американська GPS та російська ГЛОНАСС – далеко не єдині у світі системи супутникової навігації. Наприклад, Китай, Індія та Японія почали розгортати власні ССН під назвою BeiDou, IRNSS та QZSS відповідно, які діятимуть лише всередині своїх країн, а тому вимагатимуть порівняно малої кількості супутників.

Але найбільший інтерес, мабуть, викликає проект Galileo, який розробляється Європейським союзом і має бути запущений на повну потужність до 2020 року. Спочатку Galileo замислювалася як суто європейська мережа, але про своє бажання взяти участь у її створенні вже заявили країни Близького Сходу та Південної Америки. Тож незабаром на ринку глобальних ССН може з'явитися «третя сила». Якщо ця система буде сумісна з існуючими, а швидше за все так і буде, споживачі тільки виграють - швидкість пошуку супутників і точність позиціонування повинні вирости.

Сьогодні ми поговоримо про те, що таке GPS як працює ця система. Приділимо увагу розвитку цієї технології, її функціональним особливостям. Також обговоримо, яку роль роботі системи грають інтерактивні карти.

Історія появи GPS

Історія появи глобальної системи позиціонування, чи визначення координат, почалася США ще в далеких 50-х роках під час запуску першого радянського супутника в космос. Бригада американських учених, які стежили за запуском, зауважила, що при віддаленні супутник поступово змінює свою частоту сигналу. Після глибокого аналізу даних вони дійшли висновку, що за допомогою супутника, якщо говорити більш докладно, то його розташування і сигналу, що видається, можна точно визначити перебування і швидкість пересування людини на землі, як і навпаки, швидкість і знаходження супутника на орбіті при визначенні точних координат людини. До кінця сімдесятих років Міноборони США запустило систему GPS у своїх цілях, а ще через кілька років вона стала доступною для цивільного застосування. Як GPS працює зараз? Точно так, як і працювала на той час, за тими ж принципами та основами.

Мережа супутників

Понад двадцять чотири супутники, що знаходяться на навколоземній орбіті, передають радіосигнали прив'язки. Кількість супутників варіюється, але на орбіті завжди знаходиться потрібна їх кількість для забезпечення безперебійної роботи, плюс деякі з них є в запасі, щоб у разі поломки перших прийняти їх функції на себе. Оскільки термін служби кожного їх приблизно близько 10 років, проводиться запуск нових, модернізованих версій. Обертання супутників відбувається по шести орбітах навколо Землі на висоті менше 20 тисяч км, воно утворює взаємопов'язану мережу, якою керують станції GPS. Знаходяться останні на тропічних островах пов'язані з основним координаційним центром США.

Як працює GPS-навігатор?

Завдяки цій мережі можна дізнатися про місцезнаходження за допомогою обчислення затримки проходження сигналу від супутників, і за допомогою цієї інформації визначити координати. Як GPS працює зараз? Як і будь-яка мережа навігації у просторі – вона абсолютно безкоштовна. Вона з високою ефективністю працює за будь-яких погодних умов та у будь-який час доби. Єдина покупка, яка має бути, це сам GPS-навігатор або пристрій, який підтримує функції GPS. Власне, принцип роботи навігатора будується на простій схемі навігації, що давно використовується: якщо точно знаєте місце, де знаходиться маркерний об'єкт, найбільш підходящий на роль орієнтира, і відстань від нього до вас, намалюйте коло, на якому точкою позначте ваше місцезнаходження. Якщо радіус кола великий, замініть його прямою лінією. Проведіть кілька таких смуг від можливого вашого розташування у бік маркерів, точка перетину прямих позначить координати на карті. Вищезгадані супутники в такому разі якраз і відіграють роль цих маркерних об'єктів з відстанню від вашого розташування близько 18 тисяч км. Хоча їх обертання по орбіті і відбувається з величезною швидкістю, місце постійно відстежується. У кожному навігаторі встановлений GPS-приймач, який запрограмований на потрібну частоту і перебуває у прямій взаємодії із супутником. У кожному радіосигналі міститься певна кількість закодованої інформації, яка включає відомості про технічний стан супутника, місцезнаходження його на орбіті Землі і часовому поясі (точний час). До речі, інформація про точний час і є найбільш необхідною для отримання даних про ваші координати: обчислення відрізка часу між віддачею і прийомом радіосигналу, що відбувається, множиться на швидкість самої радіохвилі і шляхом нетривалих підрахунків розраховується відстань між вашим навігаційним приладом і супутником на орбіті.


Складнощі синхронізації

Виходячи з цього принципу навігації, можна припустити, що для точного визначення ваших координат можуть знадобитися всього два супутники, на основі сигналів яких легко знайти точку перетину, і в результаті - місце, де ви знаходитесь. Але, на жаль, технічні причини потребують застосування ще одного супутника як маркера. Головна проблема полягає в годиннику GPS-приймача, що не дозволяє провести достатню синхронізацію із супутниками. Причиною цього є різниця у відображенні часу (на вашому навігаторі та в космосі). На супутниках присутні дорогі високоякісні годинники на атомній основі, що дозволяє їм вести підрахунок часу з граничною точністю, тоді як на звичайних приймачах такі хронометри застосувати просто неможливо, оскільки габарити, вартість, складність в експлуатації не дозволили б застосовувати їх усюди. Навіть мала помилка в 0.001 секунд може змістити координати більш ніж на 200 км в сторону!


Третій маркер

Так що розробники вирішили залишити звичайну технологію кварцового годинника в GPS-навігаторах і піти іншим шляхом, якщо говорити точніше - використовувати замість двох орієнтирів-супутників - три, відповідно, стільки ж ліній для подальшого перетину. Вирішення проблеми будується на геніально простому виході: при перетині всіх ліній з трьох позначених маркерів, навіть за можливих неточностей, створюється зона у формі трикутника, за центр якого береться його середина - ваше розташування. Також це дозволяє виявити відмінність у часі приймача і всіх трьох супутників (для яких відмінність буде однаковим), що дозволяє скоригувати перетин ліній прямо в центрі, простіше кажучи - це визначає ваші координати GPS.


Одна частота

Слід також зауважити, що всі супутники посилають на ваш пристрій інформацію на одній частоті, і це досить незвично. Як працює GPS-навігатор і як сприймає всю інформацію коректно, якщо всі супутники безперервно та одночасно надсилають на нього інформацію? Все досить просто. Передавачі на супутнику для визначення себе надсилають у радіосигналі ще й стандартну інформацію, в якій знаходиться зашифрований код. Він повідомляє максимум характеристик супутника і заноситься в базу даних пристрою, що потім дозволяє звіряти дані з супутника з базою даних навігатора. Навіть при великій кількості супутників у зоні досяжності дуже швидко та легко їх можна визначити. Все це спрощує всю схему і дозволяє використовувати в GPS-навігаторах менші за розміром і слабші антени прийому, що здешевлює та зменшує дизайн та габарити пристроїв.

GPS-картки

Карти GPS завантажуються на ваш пристрій окремо, оскільки ви самі впливаєте на вибір місцевості, якою хочете пересуватися. Система всього лише встановлює ваші координати на планеті, а вже функцією карт є відтворення на екрані графічної версії, на яку наносяться координати, що дозволяє вам орієнтуватися на місцевості. GPS як працює у цьому випадку? Безкоштовно, це так і продовжує залишатися в такому статусі, карти в деяких інтернет-магазинах (і не тільки) все ж таки платні. Найчастіше для пристрою з GPS-навігатором створюються окремі програми для роботи з картами: як платні, так і безкоштовні. Різновид карт приємно дивує і дозволяє налаштувати дорогу з точки A в точку Б максимально інформативно і з усіма зручностями: які пам'ятки ви проїжджатимете, найкоротший шлях до пункту призначення, голосовий помічник, що вказує напрямок та інші.


Додаткове GPS-обладнання

Застосовується система GPS не лише для вказівки вам потрібного шляху. Вона дозволяє проводити стеження за об'єктом, на якому може бути так званий маячок, або GPS-трекер. Складається він із самого приймача сигналів та передавача на основі gsm, 3gp або інших протоколів зв'язку для передачі інформації про розташування об'єкта в сервісні центри, які здійснюють контроль. Застосовуються вони у багатьох галузях: охоронної, медичної, страхової, транспортної та багатьох інших. Також є автомобільні трекери, які підключаються виключно до автомобіля.


Подорожі без проблем

З кожним днем ​​значення карти та беззмінного компаса йдуть все далі в минуле. Сучасні технології дозволяють людині прокласти дорогу для своєї мандрівки з мінімальними втратами часу, зусиль та засобів, при цьому побачити найцікавіші та найцікавіші місця. Те, що було фантастикою близько сторіччя тому, сьогодні стало реальністю, і скористатися цим може практично кожен: від військових, моряків та пілотів літаків до туристів та кур'єрів. Зараз велику популярність набирає використання цих систем для комерційної, розважальної, рекламної галузей, де кожен підприємець може вказати себе на глобальній карті світу, і його буде зовсім неважко знайти. Сподіваємося, що ця стаття допомогла всім, хто цікавиться тим, що GPS - як працює, за яким принципом відбувається визначення координат, які його сильні та слабкі сторони.