Сателитната навигация GPS отдавна е стандарт за създаване на системи за позициониране и се използва активно в различни тракери и навигатори. IN Ардуино проекти GPS е интегриран с помощта на различни модули, които не изискват познаване на теоретични основи. Но един истински инженер трябва да се интересува от разбирането на принципа и работата на GPS, за да разбере по-добре възможностите и ограниченията на тази технология.

Как работи GPS

GPS е сателитна навигационна система, разработена от Министерството на отбраната на САЩ, която определя точни координати и време. Работи навсякъде по света при всякакви климатични условия. GPS се състои от три части - сателити, земни станции и приемници на сигнали.

Идеята за създаване на сателитна навигационна система се заражда през 50-те години на миналия век. Американски екип от учени, наблюдаващ изстрелването на съветски спътници, забелязал, че с приближаването на спътника честотата на сигнала се увеличава и намалява с отдалечаването му. Това даде възможност да се разбере, че е възможно да се измери позицията и скоростта на сателита, знаейки неговите координати на Земята, и обратно. Огромна роля в развитието на навигационната система изигра изстрелването на сателити в ниска земна орбита. И през 1973 г. е създадена програмата DNSS (NavStar), според тази програма сателитите са изстреляни в средна околоземна орбита. Име GPS програмаполучен през същата 1973г.

В момента GPS системата се използва не само във военната област, но и за граждански цели. Има много приложения за GPS:

• Мобилна връзка;
• Тектоника на плочите - проследяване на флуктуациите на плочите;
• Определяне на сеизмична активност;
• Сателитно проследяване на МПС – можете да следите позицията, скоростта на МПС и да контролирате движението им;
• Геодезия - определяне на точните граници на поземлени имоти;
• Картография;
• навигация;
• Игри, геомаркиране и други зони за забавление.

Най-важният недостатък на системата може да се счита за невъзможността за получаване на сигнал при определени условия. Работните честоти на GPS са в дециметровия диапазон на дължината на вълната. Това води до факта, че нивото на сигнала може да намалее поради високи облаци, гъста зеленина на дървета. Радио източници, заглушители и в редки случаи дори магнитни бури също могат да попречат на нормалното предаване на сигнала. Точността на определяне на данните ще се влоши в циркумполярните региони, тъй като спътниците не се издигат много високо над Земята.

Навигация без GPS

Получените уравнения се коригират от несъответствието между изчислената и действителната позиция на сателита. Грешката, която възниква в резултат на това, се нарича ефемерида и варира от 1 до 5 метра. Смущенията също допринасят Атмосферно налягане, влажност, температура, влияние на йоносферата и атмосферата. Като цяло съвкупността от всички грешки може да доведе до грешка до 100 метра. Някои грешки могат да бъдат отстранени математически.

За да намалите всички грешки, използвайте диференциалния режим на GPS. При него приемникът получава по ефир всички необходими корекции на координатите от базовата станция. Крайната точност на измерване достига 1-5 метра. В диференциалния режим има 2 метода за коригиране на получените данни - това е корекцията на самите координати и корекцията опции за навигация. Първият метод е неудобен за използване, тъй като всички потребители трябва да работят на едни и същи сателити. Във втория случай сложността на оборудването за определяне на позицията се увеличава значително.

Съществува нов классистеми, което увеличава точността на измерване до 1 см. Ъгълът между посоките към сателитите оказва огромно влияние върху точността. При голям ъгъл местоположението ще се определи с по-голяма точност.

Точността на измерването може да бъде изкуствено намалена от Министерството на отбраната на САЩ. За целта са настроени навигационни устройства специален режим S/A - ограничен достъп. Режимът е предназначен за военни цели, за да не се даде предимство на противника при определяне на точните координати. От май 2000 г. режимът на ограничен достъп е премахнат.

Всички източници на грешки могат да бъдат разделени на няколко групи:

• Грешка в изчисляването на орбитите;
• Грешки, свързани с приемника;
• Грешки, свързани с многократно отразяване на сигнала от препятствия;
• Йоносфера, забавяне на тропосферния сигнал;
• Геометрията на местоположението на сателитите.

Основни характеристики

GPS системата включва 24 изкуствени спътника на Земята, мрежа от наземни станции за проследяване и навигационни приемници. От станциите за наблюдение се изисква да определят и контролират параметрите на орбитата, да изчисляват балистичните характеристики, да коригират отклоненията от траекториите на движение и да контролират оборудването на борда на космически кораби.

Характеристики на GPS навигационни системи:

• Брой сателити - 26, 21 основни, 5 резервни;
• Броят на орбиталните равнини - 6;
• Височина на орбита - 20 000 км;
• Срокът на експлоатация на сателитите е 7,5 години;
• Работни честоти - L1 = 1575.42 MHz; L2=12275.6MHz, мощност съответно 50W и 8W;
• Надеждността на навигационното определяне е 95%.

Навигационните приемници са няколко вида - преносими, стационарни и авиационни. Приемниците също се характеризират с редица параметри:

• Брой канали - съвременните приемници използват от 12 до 20 канала;
• Тип антена;
• Наличие на картографска поддръжка;
• тип дисплей;
• Допълнителни функции;
• различни спецификации- материали, здравина, влагозащита, чувствителност, капацитет на паметта и други.

Принципът на работа на самия навигатор - на първо място, устройството се опитва да се свърже с навигационния спътник. Веднага след установяване на връзката се предава алманахът, тоест информация за орбитите на спътниците, разположени в рамките на една и съща навигационна система. Комуникацията само с един сателит не е достатъчна за получаване на точна позиция, така че останалите сателити предават своите ефемериди на навигатора, което е необходимо за определяне на отклонения, фактори на смущение и други параметри.

Студен, топъл и топъл старт GPS навигатор

При включване на навигатора за първи път или след дълга пауза започва дълго чакане за получаване на данни. Дългото време на изчакване се дължи на факта, че алманахът и ефемеридите липсват или са остарели в паметта на навигатора, така че устройството трябва да извърши серия от действия, за да получи или актуализира данни. Времето на изчакване или така нареченото време на студен старт зависи от различни показатели - качество на приемника, състояние на атмосферата, шум, брой сателити в зрителното поле.

За да започнете, навигаторът трябва:

• Намерете сателит и установете връзка с него;
• Вземете алманаха и го запазете в паметта;
• Вземете ефемериди от сателит и ги запазете;
• Намерете още три сателита и установете контакт с тях, получете ефемериди от тях;
• Изчислете координатите с помощта на ефемериди и сателитни позиции.

Само след като премине през целия този цикъл, устройството ще започне да работи. Такова изстрелване се нарича студен старт.

Топлият старт е значително различен от студения старт. Паметта на навигатора вече съдържа текущия алманах и ефемериди. Данните от алманаха са валидни за 30 дни, ефемеридите за 30 минути. От това следва, че устройството е било изключено за кратко време. При горещ старт алгоритъмът ще бъде по-опростен - устройството установява връзка със спътника, актуализира ефемеридите, ако е необходимо, и изчислява местоположението.

Има топло начало - в този случай алманахът е актуален, а ефемеридите трябва да се актуализират. Отнема малко повече време от горещо стартиране, но много по-малко от студено стартиране.

Ограничения за закупуване и използване на самоделни GPS модули

Руското законодателство изисква производителите да намалят точността на откриване на приемника. Работата със сурова прецизност може да се извърши само ако потребителят има специализиран лиценз.

Забранен в Руска федерацияима специални технически средства, предназначени за тайно получаване на информация (STS NPI). Те включват GPS тракери, които се използват за скрит контрол на движението на превозни средства и други обекти. Основният знак за незаконно технически средства- неговата потайност. Ето защо, преди да закупите устройство, трябва внимателно да проучите неговите характеристики, външен вид, за скрити функции, както и преглед на необходимите сертификати за съответствие.

Също така е важно под каква форма се продава устройството. В разглобена форма устройството може да не се отнася за STS NPI. Но когато се сглоби, готовото устройство вече може да бъде класифицирано като забранено.

GPS (съкратено от англ. Global Positioning System - глобална система за позициониране) е сателитна системанавигация, работеща в световната координатна система WGS 84. GPS ви позволява да определяте местоположението и скоростта на обекти почти навсякъде на Земята. Интересното е, че системата е разработена и внедрена от Министерството на отбраната на САЩ, но в момента се използва за граждански цели. Русия създаде своя собствена сателитна навигационна система, която се нарича и ние вече писахме за това. Системите работят по подобен начин, но сателитите GLONASS са по-стабилни.

Преди време GPS рядко се използваше в телефоните и затова беше един вид любопитство, което можеше да изненада хората. Но тези дни отдавна са отминали и днес трябва да работите усилено, за да намерите смартфон, който няма GPS поддръжка.

Защо имате нужда от GPS във вашия телефон/смартфон/таблет?

GPS се използва предимно за определяне на местоположението на устройството. Въз основа на това потребителят може да разбере къде се намира в момента. На този принцип се основават навигационните карти, които се използват например от автомобилистите. И заедно с интернет, картите могат да показват не само местоположението на устройството и пътя до целта, но и задръстванията. Ярък пример е Yandex.Maps.

Смартфоните с GPS се използват не само от обикновените шофьори, те са много популярни сред куриерите, както и таксиметровите шофьори - особено когато говорим сиза големите градове.

Функцията за местоположение се използва в някои услуги. Например в социална мрежаможете да публикувате снимка и да посочите координатите, където току-що е заснета. Има услуги, които ви позволяват да маркирате местоположението си невключено прости карти, и в магазин или кафене - така че потребителят да може да изпрати своето съобщение до приятели и да ги покани.

Има дори услуги за запознанства въз основа на текущото местоположение на потребителя. Така потребителят посочва къде се намира и вижда други потребители на картата. Например, потребителите могат да се опознаят, ако са в непосредствена близост на картата.

Има ли недостатъци на GPS?

Като такъв, GPS няма недостатъци, но си струва да запомните, че местоположението може да не винаги е надеждно, тъй като има граници на грешка. За по-точно позициониране можете да използвате и двете навигационни системи едновременно - GPS и GLONASS, особено след като и двете се използват в много устройства.

Останалата част от GPS има солидни плюсове. В допълнение, системата всъщност не влияе на цената на устройството, което можете да проследите върху цената на смартфоните: дори най-евтините устройства са оборудвани с GPS.

GPS сателит в орбита

Основният принцип на използване на системата е да се определи местоположението чрез измерване на времевите точки на получаване на синхронизиран сигнал от навигационни спътници до потребителя. Разстоянието се изчислява от времето на забавяне на разпространението на сигнала от изпращането му от сателита до получаването му от антената на GPS приемника. Тоест да се определи триизмерното GPS координати- приемникът трябва да има четири уравнения: „разстоянието е равно на произведението на скоростта на светлината и разликата между моментите на приемане на потребителския сигнал и момента на неговото синхронно излъчване от сателитите“:

Тук: - местоположението на -тия спътник, - моментът на приемане на сигнала от -тия спътник според часовника на потребителя, - неизвестният момент във времето на синхронно излъчване на сигнала от всички спътници според часовник на потребителя, - скоростта на светлината, - неизвестната триизмерна позиция на потребителя.

История

Идеята за създаване на сателитна навигация се ражда през 50-те години. В момента, когато СССР изстреля първия изкуствен спътник на Земята, американски учени, ръководени от Ричард Кершнер, наблюдаваха сигнала, излъчван от съветския спътник, и установиха, че поради ефекта на Доплер честотата на получения сигнал се увеличава с приближаването на спътника и намалява, докато се отдалечава. Същността на откритието беше, че ако знаете точно своите координати на Земята, тогава става възможно да измерите позицията и скоростта на спътника и обратно, знаейки точната позиция на спътника, можете да определите собствената си скорост и координати .

Тази идея се реализира след 20 години. През 1973 г. стартира програмата DNSS, по-късно преименувана на Navstar-GPS и след това на GPS. Първият тестов сателит е изстрелян на 14 юли 1974 г., а последният от всичките 24 сателита, необходими за покриване на цялата земна повърхност, е изстрелян през 1993 г., като по този начин GPS влиза в експлоатация. Стана възможно използването на GPS за точно насочване на ракети към неподвижни, а след това към движещи се обекти във въздуха и на земята.

Първоначално GPS - глобална системапозициониране, е разработен като чисто военен проект. Но след като самолет на Korean Airlines с 269 пътници на борда, който нахлу във въздушното пространство на Съветския съюз, беше свален през 1983 г. поради дезориентация на екипажа в пространството, президентът на САЩ Роналд Рейгън, за да предотврати подобни трагедии в бъдеще, позволи на частично използване на навигационната система за граждански цели. За да се избегне използването на системата за военни цели, точността е намалена чрез специален алгоритъм. [ посочете]

Тогава се появи информация, че някои компании са дешифрирали алгоритъма за намаляване на точността на честотата L1 и успешно са компенсирали този компонент на грешката. През 2000 г. американският президент Бил Клинтън премахна това загрубяване на точността със свой указ.

Техническо изпълнение

космически сателити

Неизстрелян сателит, изложен в музей. Изглед от страната на антените.

Сателитни орбити

Орбити на GPS сателити. Пример за видимостта на сателитите от една от точките на повърхността на Земята. Visible sat е броят на сателитите, видими над хоризонта на наблюдателя при идеални условия (чисто поле).

Сателитното съзвездие на системата NAVSTAR се върти около Земята в кръгови орбити с еднаква височина и период на въртене за всички сателити. Кръгова орбита с надморска височина от около 20 200 km е дневна множествена орбита с орбитален период от 11 часа 58 минути; по този начин сателитът прави две обиколки около Земята за един звезден ден (23 часа 56 минути). Орбиталният наклон (55°) също е общ за всички спътници в системата. Единствената разлика в орбитите на сателитите е дължината на възходящия възел или точката, в която равнината на орбитата на спътника пресича екватора: тези точки са приблизително на 60 градуса една от друга. Така, въпреки еднаквите (с изключение на дължината на възходящия възел) орбитални параметри, спътниците се въртят около Земята в шест различни равнини, по 4 спътника във всяка.

RF характеристики

Сателитите излъчват отворени за използване сигнали в диапазоните: L1=1575,42 MHz и L2=1227,60 MHz (започвайки от блок IIR-M), а моделите IIF също ще излъчват при L5=1176,45 MHz. Навигационната информация може да бъде получена от антена (обикновено в пряка видимост на сателитите) и обработена с помощта на GPS приемник.

Стандартният прецизно кодиран сигнал (C/A код - BPSK модулация (1)), предаван в лентата L1 (и сигналът L2C (BPSK модулация) в лентата L2, започвайки с IIR-M устройства), се разпространява без ограничения за употреба. Първоначално използвано на L1, изкуственото огрубяване на сигнала (режим на селективен достъп - SA) е деактивирано от май 2000 г. От 2007 г. Съединените щати окончателно изоставиха техниката на изкуствено огрубяване. Предвижда се въвеждането на нов L1C сигнал (BOC(1,1) модулация) в обхвата L1 с пускането на устройства Block III. Той ще има обратна съвместимост, подобрена способност за следване на пътя и е по-съвместим със сигналите Galileo L1.

За военни потребители допълнително се предлагат сигнали в лентите L1 / L2, модулирани с устойчив на шум крипто-устойчив P (Y) код (BPSK (10) модулация). Започвайки с устройства IIR-M, беше пуснат в експлоатация нов M-код (използва се модулация BOC (15,10)). Използването на M-код позволява да се осигури функционирането на системата в рамките на концепцията Navwar (навигационна война). M-кодът се предава на съществуващите честоти L1 и L2. Този сигнал има повишена устойчивост на шум и е достатъчен за определяне на точните координати (в случай на P-код беше необходимо също да се получи C / A код). Друга особеност на М-кода ще бъде възможността за предаването му за определена зона с диаметър няколкостотин километра, където силата на сигнала ще бъде с 20 децибела по-висока. Конвенционалният M сигнал вече е наличен на сателитите IIR-M, докато тесният лъч ще бъде наличен само на сателитите GPS-III.

С изстрелването на спътника IIF беше въведена нова честота L5 (1176,45 MHz). Този сигнал се нарича още безопасност на живота (защита на човешкия живот). Сигналът L5 е с 3 dB по-силен от гражданския сигнал и има честотна лента 10 пъти по-широка. Сигналът може да се използва в критични ситуации, свързани със заплаха за човешкия живот. Пълният сигнал ще се използва след 2014 г.

Сигналите се модулират с два вида псевдослучайни последователности (PRN): C/A-код и P-код. C/A (Clear access) - публичен код - е PRN с период на повторение от 1023 цикъла и честота на повторение на импулса от 1023 MHz. Именно с този код работят всички граждански GPS приемници. P (Protected/precise)-код се използва в системи, затворени за общо ползване, неговият период на повторение е 2*1014 цикъла. P-код модулираните сигнали се предават на две честоти: L1 = 1575.42 MHz и L2 = 1227.6 MHz. C/A кодът се предава само на честота L1. Носещата, освен PRN кодове, се модулира и от навигационно съобщение.

24 сателита осигуряват 100% работоспособност на системата навсякъде по света, но не винаги могат да осигурят надеждно приемане и добро изчисляване на позицията. Следователно, за да се повиши точността на позициониране и резервът в случай на повреди, общият брой на спътниците в орбита се поддържа в Повече ▼(31 броя през март 2010 г.).

Наземни контролни станции на космическия сегмент

Основна статия: наземен сегмент от сателитна навигационна система

Орбиталното съзвездие се наблюдава от главната контролна станция, разположена във военновъздушната база Шрайвър, Колорадо, САЩ и с помощта на 10 проследяващи станции, от които три станции могат да изпращат коригиращи данни към сателитите под формата на радиосигнали с честота 2000-4000 MHz. сателити последно поколениеразпределете получените данни между други спътници.

GPS приложение

GPS приемник на сигнал

Въпреки факта, че проектът GPS първоначално е бил насочен към военни цели, днес GPS се използва широко за граждански цели. GPS приемниците се продават в много магазини за електроника и са вградени в мобилни телефони, смартфони, PDA устройства и бордови устройства. Предлагат се и консуматори различни устройстваИ софтуерни продукти, което ви позволява да видите местоположението си на електронна карта; възможност за полагане на маршрути, като се вземат предвид пътните знаци, разрешените завои и дори задръстванията; търсете на картата конкретни къщи и улици, атракции, кафенета, болници, бензиностанции и друга инфраструктура.

Има предложения за интегриране на системи Iridium и GPS.

точност

Компонентите, които влияят на грешката на един сателит при измерване на псевдообхват, са дадени по-долу:

Общата грешка не е равна на сумата от компонентите.

Типичната точност на съвременните GPS приемници в хоризонтална равнина е около 6-8 метра при добра сателитна видимост и използване на коригиращи алгоритми. На територията на САЩ, Канада, Япония, Китай, Европейския съюз и Индия има станции WAAS, EGNOS, MSAS и др., предаващи корекции за диференциалния режим, което намалява грешката до 1-2 метра на територията. на тези страни. При използване на по-сложни диференциални режими точността на определяне на координатите може да се увеличи до 10 см. Точността на всяка SNS силно зависи от отвореността на пространството, от височината на използваните спътници над хоризонта.

В близко бъдеще всички устройства от сегашния GPS стандарт ще бъдат заменени от по-нова версия на GPS IIF, която има редица предимства, включително по-устойчива на смущения.

Но основното е, че GPS IIF осигурява много по-висока точност при определяне на координатите. Ако сегашните сателити осигуряват точност от 6 метра, тогава новите сателити ще могат да определят позицията, както се очаква, с точност най-малко 60-90см.Ако такава точност не е само за военни, но и за цивилни приложения, тогава това е добра новина за собствениците на GPS навигатори.

Към октомври 2011 г. първите два сателита от нова версияО: GPS IIF SV-1 стартира през 2010 г., а GPS IIF-2 стартира на 16 юли 2011 г.

Общо първоначалният договор предвиждаше изстрелването на 33 GPS спътника от ново поколение, но след това поради технически проблеминачалото на изстрелването беше отложено от 2006 г. на 2010 г., а броят на сателитите беше намален от 33 на 12. Всички те ще бъдат изведени в орбита в близко бъдеще.

Подобрената точност на новото поколение GPS сателити е възможна благодарение на използването на по-точни атомни часовници. Тъй като сателитите се движат с около 14 000 km/h (3,874 km/s) (първа скорост на бягство при 20 200 km), подобряването на точността на времето дори в шестата цифра е от решаващо значение за триангулацията.

недостатъци

Често срещан недостатък на използването на всяка радионавигационна система е, че при определени условия сигналът може да не достигне до приемника, или пристигат със значително изкривяване или закъснение. Например, почти невъзможно е да се определи точното ви местоположение в дълбините на апартамент в стоманобетонна сграда, в сутерен или в тунел, дори и с професионални геодезични приемници. Тъй като работната честота на GPS е в дециметровия диапазон на радиовълните, нивото на приемане на сигнала от сателитите може сериозно да се влоши под гъста зеленина на дървета или поради много тежки облаци. Нормалното приемане на GPS сигнали може да бъде повлияно от смущения от много наземни радиоизточници, както и (в редки случаи) от магнитни бури или умишлено създадени от "заглушители" ( насамборбата със сателитните автомобилни аларми често се използва от крадците на автомобили).

Ниският наклон на GPS орбитите (приблизително 55) сериозно влошава точността в околополярните региони на Земята, тъй като GPS сателитите не се издигат много високо над хоризонта.

Съществена характеристика на GPS е пълната зависимост от условията за получаване на сигнал от Министерството на отбраната на САЩ.

Сега [ Кога?] Министерството на отбраната на САЩ реши да започне пълно надграждане на GPS системата. Планирано е отдавна, но едва сега проектът може да бъде стартиран. По време на надграждането старите сателити ще бъдат заменени с нови, проектирани и произведени от Lockheed Martin и Boeing. Твърди се, че те ще могат да осигурят точност на позициониране с грешка от 0,5 метра.

Изпълнението на тази програма ще отнеме известно [ който?] време. Министерството на отбраната на САЩ твърди, че ще бъде възможно напълно да завърши надграждането на системата едва след 10 години. Броят на сателитите няма да се променя, те ще останат 30: 24 работещи и 6 в режим на готовност.

Хронология

Вижте също

• Transit (първата сателитна навигационна система, 1960-те - 1996 г.)
• Галилео (Европейска навигационна система)
• ГЛОНАСС (руска навигационна система)

Бележки

Литература

• Александров И.Космическа радионавигационна система NAVSTAR (руски) // Чуждестранен военен преглед. - М ., 1995. - № 5. - С. 52-63. - ISSN 0134-921X.
• Козловски Е.Изкуството на позиционирането // По света. - М ., 2006. - № 12 (2795). - С. 204-280.
• Шебшаевич В. С., Дмитриев П. П., Иванцев Н. В. и др.Мрежови сателитни радионавигационни системи / изд. В. С. Шебшаевич. - 2-ро изд., преработено. и допълнителни - М .: Радио и комуникация, 1993. - 408 с. - ISBN 5-256-00174-4

Връзки

• Официален сайт на правителството на САЩ и GPS системата със статут на сателитно съзвездие (англ.)

• Глобални навигационни сателитни системи (GNSS). Как работи? , gps-club.ru

• Галилео и GPS
• Съвместна декларация относно взаимното допълване и съвместимост на GLONASS и GPS ( (недостъпна връзка), копие)

27 май 2008 г Богомазов Алексей 1

Глобалната система за позициониране, или накратко GPS, е единствената в света пълнофункционална сателитна навигационна система. Повече от 25 специализирани сателита постоянно изпращат точни (първо във времето) радиосигнали, които се улавят от GPS приемници по целия свят. Това излъчване позволява на приемниците (приемниците) да определят точно местоположението си (дължина, ширина, позиция над морското равнище) при всяко време, по всяко време на деня, навсякъде по света.

ДА СЕ настоящ момент GPSвече се превърна в жизненоважна система, тя е неразделна част от съвременната навигация на сушата, в морето, във въздуха, освен това е важен инструмент за съставяне на карти, както и за наблюдение на промените в ландшафта на земната повърхност. Тази система има известен принос към такива привидно външни индустрии като телекомуникациите и различни видове научни изследвания (например изследване на природата на земетресенията).

GPS системае разработен от контролираното от него министерство на отбраната на САЩ. Въпреки факта, че поддръжката на тази система струва около $400 000 000 на година (ако броите стареенето на сателитите), обикновените смъртни са свободни да го използват за своите скромни нужди.

В края на 2005 г. към вече изстреляните сателити беше добавен още един спътник от ново поколение. Този сателит имаше номер допълнителни функции, една от които е поддръжката на втори граждански GPS сигнал, който се нарича L2C и е предназначен да подобри точността и надеждността на системата като цяло. През следващите години се планира да бъдат изстреляни все повече и повече модернизирани сателити, в бъдеще те трябва да добавят трети и четвърти сигнали и в допълнение куп нови функции, които ще се използват изключително от военните (кой би се съмнявал ).

През август 2000 г. широкообхватната система за разширяване (WAAS) стана публично достъпна и, ако се говори от човешки поглед, система за панорамен изглед, която направи възможно определянето на местоположението на преносим GPS приемникс точност до два метра. Два метра, разбира се, не е лошо, но можете да постигнете точност от един сантиметър, ако използвате диференциален GPS (DGPS).

Сфери на използване на GPS

Вероятно мнозина са чували за GPSмного хора го използват ежедневно. За по-голямата част от хората обаче това остава само технология, която им позволява да определят местоположението си на повърхността на Земята. Всъщност това е малко по-различно, тази технология се използва в голямо разнообразие от области на човешката дейност.

Трябва да се каже, че без точна синхронизация на времето, нивото на грешки при предаването на информация незабавно ще се увеличи, а в някои случаи предаването ще стане невъзможно. Това се дължи на нюансите на изпълнението на оборудването. Например, с определено изпълнение на предаване в обикновен локални мрежи, мрежови картитрябва да се синхронизира почти след прехвърлянето на всеки байт. Това, разбира се, е напълно отдалечен пример, но представете си какво ниво на синхронизация трябва да има в много по-сериозни индустриални и научни инсталации.

Атомните часовници на сателитите отброяват " GPS време". Това време се измерва в дни, часове, минути, секунди и т.н. Като цяло всичко е същото като земното време, което се основава на въртенето на Земята. Основната разлика е, че GPS времето е абсолютно независимо от въртенето на Земята Един GPS ден е 86400 секунди в SI (между другото, SI, това не е система за измерване, а международна система , изглежда като дреболия, но не всеки знае), което е стандартът за международно атомно време (TAI) (Международно атомно време).

IN 1980 г GPS времето е приравнено към координираното универсално време (UTC). Така GPS часовникът започва да тиктака на 6 януари 1980 г. в 00:00:00 UTC (00:00:19 TAI) и разликата от 19 секунди се появява поради неясни "високосни секунди". Но ние вече навлизаме в джунглата на специалните дисциплини, така че ако някой се интересува, давай, в същото време да научи теорията на относителността, тук я има на всяка крачка.

• Геофизика и геология . Високопрецизни измервания на напрежението на различни слоеве на земята могат да бъдат направени с помощта на GPS. Първо, нека се занимаваме с напрежението, то няма нищо общо с батериите, тук е по-скоро деформацията и изместването на скалите под въздействието на каквито и да е сили. За да измерите тази стойност, достатъчно е да вземете 2 GPS приемника, единият от които трябва да е неподвижен (доколкото е възможно), тогава е лесно да се определи отместването на втория приемник спрямо първия, което ще бъде желаната стойност . Тази технология намира приложение при наблюдението на вулкани и ви позволява да предвидите предварително причината и формата на бъдещите промени в околния пейзаж.

История на развитието на GPS

развитие GPSотчасти базирани на подобни наземни системирадионавигация като напр ЛОРАН(разработен в началото на 40-те години на миналия век и използван по време на Втората световна война). Допълнителен тласък за развитието на тази система беше изстрелването на първия изкуствен спътник в СССР през 1957 г. Екип от американски учени, ръководени от д-р. Ричард Б. Кершнер наблюдава предаването на радиосигнали от сателита. Те забелязаха интересен модел. В съответствие с ефекта на Доплер, честотата на радиосигнала, изпратен от спътника, намалява с увеличаване на разстоянието от спътника (колкото повече е пътувал сигналът, толкова по-ниска е неговата честота). Скоро дойде разбирането, че знаейки точното си положение на земното кълбо, както и честотата на сигналите, изпращани от спътника, те могат да определят местоположението на спътника в земната орбита с висока точност (в съответствие с изчисленията на същият Доплер). Лесно е да се разбере, че обратното твърдение също е вярно, знаейки местоположението на сателита и честотата на сигнала, можете да определите местоположението си на Земята.

Първата сателитна навигационна система транзит(използван от американския флот) е успешно тестван през 1960 г. Тази система използва 5 спътника и позволява да се правят навигационни корекции приблизително на всеки час. През 1967 г. американският флот разработи нов сателит Timation, който направи възможно поставянето на борда и всъщност пускането в орбита на точен часовник (технологията, на която разчита GPS). През 70-те години на миналия век навигационната система Omega стана първата радионавигационна система, която покрива цялото земно кълбо. Тази система се основава на сравняване на фазите на сигналите.

Първо експериментално Блок IСателитът GPS е изстрелян през февруари 1978 г. Първите GPS сателити са направени от Rockwell International и сега се произвеждат от Lockheed Martin. След събитията от 1983 г., когато системата за противовъздушна отбрана на СССР свали пътнически самолет KAL 007в своето въздушно пространство (лайнерът навлезе във въздушното пространство на СССР по погрешка), убивайки всички, които са били на борда (общо 269 души), президентът на САЩ Роналд Рейгън каза, че GPS може да стане достъпен за цивилни веднага след завършването на изграждането му. До 1985 г. друг 10 Блок Iсателити. Изстрелян е първият модерен сателит Block-II 14 февруари 1989 г. До декември 1993 г. броят на спътниците беше доведен до броя, при който системата вече можеше да функционира, а до 17 януари 1994 г. всичките 24 спътника бяха в орбита.

През 1996 г. президентът на САЩ Бил Клинтън напълно осъзна важността на GPS не само за военни цели, но и за граждански цели. След това идва директива, която установява статута на GPS като двойна система (както военна, така и гражданска). През 1998 г. вицепрезидентът на САЩ Ал Гор обявява планове за добавяне на още два граждански сигнала към GPS, за да подобри точността и надеждността на системата, както и да осигури по-високо ниво на безопасност на полетите.

Последното изстрелване на сателит е направено през септември 2005 г, докато датата на изстрелване на най-стария работещ в момента GPS сателит е февруари 1989 г.

GPS сателити

GPS системата използва сателити, разположени по определен начин, по-точно на Междинна кръгова орбита (ICO). Това са орбити, затворени между околоземна орбита (1400 km) и геосинхронна орбита (35790 km). Освен това има три неизползвани сателита в постоянна орбита в случай на непредвидени ситуации и всякакви неизправности и грешки. Всеки спътник обикаля Земята точно два пъти на ден на височина от 20 200 км. Орбитите са разположени по такъв начин, че във всеки един момент почти всяка точка от земната повърхност е в обхвата на четири сателита едновременно. Във всяка от шестте орбитални равнини има шест активни сателита. Орбитата на всеки сателит е отклонена с 55 градуса от равнината на екватора.

Позицията на сателитите се следи от пет наземни станции, разположени по целия свят (Хавай, Куаджалейн, остров Възнесение, Диего Гарсия, Колорадо Спрингс). Освен това има една основна станция (авиобаза Соколв бр. Колорадо), който предава цялата информация към сателитите чрез вторични станции за проследяване. Тази информация обикновено съдържа корекция на времето с точност до една микросекунда.

Всеки сателит редовно предава време, в съответствие с неговия атомен часовник, и друга информация в цифрова форма към външния свят. Обикновено сателитите излъчват точната си позиция в орбита и приблизителната позиция на всички други активни GPS сателити. Изглежда защо да предава информация за местоположението на останалите сателити, но наземните приемници избират най-силния получен сигнал и след това, използвайки получената информация, се опитват да уловят по-малко силни сигнали от други спътници.

GPS приемници

Основната цел на GPS приемника е да определи местоположението си на повърхността на Земята. Тази позиция се определя еднозначно с помощта на три параметъра - географска ширина и дължина, както и позиция над морското равнище. Освен това приемникът трябва да определя точния час, не в смисъл колко е часът, а в смисъл на точна синхронизация със спътника. Всички тези параметри се определят от процеса трилатерация. Накратко, трилатерацията се състои в намиране на позицията на обект, като се използват най-малко четири точки с известни координати и известни разстояния от всяка точка до обекта. Най-общо казано, те не намират дистанция, но псевдодиапазон (псевдодиапазон), което е първото приближение на разстоянието.

Така сателитите изпращат сигнал, който криптира собствените им координати и часа, когато сигналът е бил изпратен. След като получи сигнала, приемникът го декодира, изчислява орбитата на всеки от спътниците и след това намира разстоянието до тези спътници. Изчисляването на разстоянието се извършва, като се вземе предвид забавянето между времето, когато сигналът е изпратен и когато е получен. По този начин, знаейки времето, за което е пристигнал сигналът, е лесно да се намери разстоянието, като се умножи по скоростта на сигнала.

Процесът на точно определяне на забавянето е може би най-отнемащ време. Всеки сателит периодично изпраща 1023 битапсевдо произволна последователност ( псевдослучайна последователност), е последователност, която има само някои свойства на произволна. Всеки сателит има своя собствена последователност, която им позволява да споделят едни и същи радиочестоти, използвайки паралелен достъп с кодово разделяне ( множествен достъп с кодово разделяне). Приемникът генерира последователностите, които всеки от сателитите изпраща и сравнява с получените, така че приемникът може лесно да разпознае всеки от сателитите.

Да се ​​върнем на въпроса за трилатерацията. Приемникът вече е определил 4 сателитни позиции и 4 разстояния до тях. Сега си представете 4 сфери с център там, където са сателитите и с радиуси, равни на разстоянията до сателитите. Най-общо казано, въз основа на училищната стереометрия са възможни 3 варианта: 2 пресечни точки, една пресечна точка и никакви пресечни точки. По очевидни причини точката на пресичане е местоположението на приемника. Две точки са възможни, ако всички сателити са в една и съща равнина, което не винаги е възможно (3 сателита винаги лежат в една и съща равнина). Този вариант по принцип също е приемлив, тъй като една точка се намира някъде на Земята, а втората е симетрична по отношение на равнината, в която лежат спътниците, или по-скоро някъде в космоса. Изборът на правилния е доста прост. Ако има само една пресечна точка, тогава тя е желаната.

При работа с реални приемници всичко е малко по-сложно, поради няколко доста специфични причини. Цената на GPS приемник започва от $90 , а цената на атомните часовници е приблизително равна на цената на няколко десетки продукта на германската автомобилна индустрия, а 50 мерцедеса очевидно са по-скъпи от 50 долара. Следователно разстоянието не е толкова лесно за изчисляване. За щастие обикновеният часовник е достатъчно точен, който за щастие може да даде доста точно сравнение за времето на сигнала. В резултат на това има грешка в определянето на географското положение, за щастие малка (сферите се пресичат в около една точка).

Малко по-нагоре като говорих за изчисляване на разстояние, не съм пропуснал скоростта на сигнала за нищо, това е един от най-големите проблеми на GPS. Ако сте решили училищни задачи по физика, тогава тази скорост се счита за равна на скоростта на светлината във вакуум, което най-общо казано не е вярно, светлината се движи по-бавно във въздуха, друго нещо е, че съотношението на тези скорости е равно на едно и първата цифра след нулата е някъде достатъчно далеч. Въпреки това, когато се изчислява точната позиция, тези цифри имат значителен принос. Най-лошото е, че скоростта на сигнала в йоносферата (проблемът е главно тук) се променя почти непредсказуемо и колкото по-дебел е слоят, през който трябва да премине сигналът, толкова по-голяма може да бъде грешката. Ако сателитът се движи точно над приемника, тогава грешката е минимална. Ако не, тогава грешката се увеличава с ъгъла на отклонение на сателита от хоризонта. За да се коригира тази грешка, първо се определя приблизителното положение на приемника, след което се изгражда математически модел и въз основа на него грешката се елиминира.

Промяната в скоростта на радиосигнала в йоносферата зависи от неговата честота, така че втората честота L2(повече за това по-долу), за да коригирате тази грешка. Някои военни и скъпи граждански (обикновено използвани за наблюдение) приемници могат да сравняват честотите L1И L2, изчислете забавянето на сигнала в атмосферата и направете фини настройки.

GPS сигналите са подложени на разсейване и отразяване от околните повърхности - сгради, терени, плътни почви и др. Това е причината за друга грешка. Много техники за приемане са предназначени да намалят тази грешка (по-специално Тясно корелаторно разстояние- доста специфичен въпрос, както разбирам, те сравняват получената функция с това, което трябва да бъде с доста строги условия). Ако сигналът се изгуби и пътува някъде дълго време, тогава самият приемник може да разпознае това и да игнорира такъв сигнал. Ако сигналът се отразява само, например от земната повърхност, филтрирането му е много по-трудно (използват се специални антени). Това се дължи на факта, че такива грешки са едва забележими в сравнение с основния сигнал и са много подобни на изкривявания, причинени от обикновени движения на въздушни маси.

Много GPS приемници могат да предават информация към компютър или други устройства, използващи NMEA0183протокол. NMEA2000- по-нов, но по-рядко срещан протокол.

GPS честоти

И така, нека да разгледаме няколко честоти, които присъстват в спектъра на електромагнитните вълни (радиовълни) на GPS: (Защо няколко? Системата е наполовина военна, никой няма да ви каже цялата истина).

• L1 (1575,42 MHz): първа носеща честота;
• L2 (1227,60 MHz): втора носеща честота; Сателитът излъчва синусоидални сигнали на тези две честоти. Както бе споменато по-горе, преди изпращане тези сигнали се модулират с псевдослучайна последователност (фазова манипулация). Честотата L1 се модулира от два вида кодове: C/A код (код за свободен достъп) и P(Y) код (код за оторизиран достъп), а честотата L2 се модулира само от P код. Не забравяйте за информацията за позицията на спътниците и времето, която също присъства в този сигнал. Грубо придобиване C/A (код за свободен достъп) има импулсна честота 1023 MHz и период на повторение 0,001 сек. Този код се декодира без проблеми, но определянето на точната позиция с негова помощ е почти невъзможно. Защитен код P(Y) (код за оторизиран достъп) има честота на повторение на импулса от 10,23 MHz и период на повторение от 7 дни. Този код се променя веднъж седмично и само оторизирани лица от Министерството на отбраната на САЩ могат да правят промени в него. По-точно можеха, американците сгрешиха и от тях изтече информация. Трябваше да приема допълнителни меркисигурност: Режимът Anti Spoofing може да бъде стартиран по всяко време. В този случай P сигналът се кодира и преобразува в Y сигнал, който може да бъде декодиран само хардуерно. Selective Availability SA (SA, режим на селективен достъп) е специално проектиран за защита срещу неоторизирани потребители. Когато този режим работи, в информационното съобщение не се изпраща информация за позицията на сателитите и часа, а донякъде коригирана информация. Правят се малки корекции (10 метра хоризонтално и 30 вертикално, приблизително разбира се) и точността на определянето веднага се намалява значително.
• L3 (1381,05 MHz): това е приносът на сателитите към отбранителната програма на САЩ, тази честота е предназначена за откриване на изстрелвания на ракети, ядрени експлозии и други събития, придружени от емисии Голям бройенергия;
• L4 (1841,40 MHz): сигнал за допълнителна корекция на грешки при преминаване на сигнала през йоносферата;
• L5 (1176,45 MHz): честота за сигнализиране на SOS (безопасен живот (SoL)). Сигналите за бедствие ще бъдат изпращани на тази честота, с минимални или никакви прогнозирани грешки при приемане. Първият сателит Block-IIF, способен да излъчва на тази честота, трябва да бъде изстрелян през 2008 г.

Възможности за подобряване на GPS

• Диференциален GPS (DGPS) - диференциалGPS. Позволява ви да увеличите точността на определяне от 4-20 метра до 1-3 метра. Принципът е да се създаде наземна мрежа от стационарни GPS приемници, които изчисляват своите координати на базата на показанията на спътниците (които винаги имат грешка) и ги сравняват с техните координати, които са предварително известни. Корекцията се излъчва в местното пространство като FM сигнал. Този метод позволява на евтините граждански приемници значително да увеличат своята точност.
• Системата за разширяване на широката област (WAAS) - система за панорамна гледка. Изграждат се наземни станции, които заемат приблизително същото като в предишния случай, само че не го излъчват в ефир, а го предават на допълнителни спътници в геосинхронна орбита, а те от своя страна го излъчват в ефир, в Освен това те съобщават информация за забавянето на сигнала в йоносферата и т.н. Тази система може значително да помогне в аеронавтиката в условия на лоша и нулева видимост. За съжаление в момента са изстреляни само няколко сателита WAAS. В момента тази система работи само в районите на западното и източното крайбрежие на Съединените щати. Въпреки това аналози на тази система се създават в Европа от EGNOS, Европейската геостационарна навигационна услуга за наслагване) и Япония (MSAS, Многофункционална система за сателитно обогатяване). Тези системи са почти идентични с WAAS.
• Система за разширяване на локалната област (LAAS) . Корекцията е подобна на предишния случай, но излъчването не е от сателит, а от наземна станция, близо до която се изисква повишена точност (например летище).

Block 2F е пето поколение GPS сателити с подобрена синхронизация, военен сигнал против заглушаване и по-силен граждански сигнал от сателитите. предишни поколения. GPS-2F е проектиран за 12-15 години работа в орбита и е оборудван с препрограмируем процесор, който поддържа изтегляне на софтуер.

Всеки сателит от серия GPS-2F (или GPS IIF) предоставя следните предимства:

• подобрена точност на навигация поради подобрената технология на атомния часовник;
• наличен е нов граждански сигнал L5 (сигналът L5 е третият граждански сигнал, който се излъчва в радиообхвата изключително за услуги за сигурност на въздухоплаването);
• повишена мощност и шумоустойчивост на военния сигнал за роботи в агресивна среда;
• животът на спътника е удължен до 12 години, което ще намали оперативните разходи на системата като цяло;
• с помощта на препрограмируем процесор, който може да получава софтуерни актуализацииза подобряване на производителността на системата.

Характеристики на сателита:

• Срокът на експлоатация е 12-15 години;
• Тегло - 1630 кг;
• Орбита - 20200 км × 20200 км, 55.0°.

GPS

GPS ( Глобална система за позициониране- система за глобално позициониране, разчетена от GPS) - сателитна навигационна система, която измерва разстоянието, времето и определя местоположението в световната координатна система WGS 84. Позволява ви навсякъде (с изключение на полярните региони), при почти всяко време, както и в околоземното космическо пространство за определяне на местоположението и скоростта на обектите. Системата е разработена, внедрена и управлявана от Министерството на отбраната на САЩ, докато в момента е достъпна за гражданска употреба - имате нужда само от навигатор или друго устройство (например смартфон) с GPS приемник.

Основният принцип на използване на системата е да се определи местоположението чрез измерване на моментите на получаване на синхронизиран сигнал от навигационни спътници от антената на потребителя. За да се определят триизмерните GPS-WAN координати, приемникът трябва да има четири уравнения: „разстоянието е равно на произведението на скоростта на светлината и разликата между моментите на приемане на сигнала от потребителя и момента на неговото синхронизиране излъчване от сателити”: . Тук: - местоположението на -тия спътник, - моментът на приемане на сигнала от -тия спътник според часовника на потребителя, - неизвестното време на излъчване на синхронен сигнал от всички спътници според часовника на потребителя, - скоростта на светлината , - неизвестната триизмерна позиция на потребителя.

История

Идеята за създаване на сателитна навигация се ражда през 50-те години на миналия век. В момента, когато първият изкуствен спътник на Земята беше изстрелян в СССР, американски учени, ръководени от Ричард Кершнер, наблюдаваха сигнала, идващ от съветския спътник, и установиха, че поради ефекта на Доплер честотата на приемания сигнал се увеличава с приближаването на спътника и намалява, докато се отдалечава. Същността на откритието беше, че ако знаете точно своите координати на Земята, тогава става възможно да измерите позицията и скоростта на спътника и обратно, знаейки точната позиция на спътника, можете да определите собствената си скорост и координати .

През 1973 г. стартира програмата DNSS, по-късно преименувана на Navstar-GPS, а след това на GPS. Първият тестов спътник е пуснат в орбита на 14 юли 1974 г. Пускането на съветския спътник за позициониране през 1982 г. дава повод на Конгреса на САЩ да отпусне пари и да ускори работата. Имаше студена война, надпреварата във въоръжаването набираше скорост. През 1983 г. започва интензивна работа по създаването на GPS и последният от всичките 24 сателита, необходими за пълното покриване на земната повърхност, е изведен в орбита през 1993 г. и GPS влиза в експлоатация. Стана възможно използването на GPS за точно насочване на ракети към неподвижни, а след това към движещи се обекти във въздуха и на земята.

Първоначално системата за глобално позициониране е разработена като чисто военен проект. Но след като Boeing 747 на Korean Airlines, нахлул в съветското въздушно пространство с 269 пътници и членове на екипажа, беше свален от съветски изтребител близо до остров Сахалин през 1983 г., тъй като дезориентацията на екипажа в пространството беше посочена като причина, президентът на САЩ Роналд Рейгън, за да избегне подобни трагедии в бъдеще, разрешиха използването на навигационната система за граждански цели в целия свят. За да се избегне военното използване на системата, точността е намалена чрез специален алгоритъм.

Тогава се появи информация, че някои компании са дешифрирали алгоритъма за намаляване на точността на честотата L1 и успешно са компенсирали този компонент на грешката. През 2000 г. американският президент Бил Клинтън премахна това загрубяване на точността със свой указ.

Техническо изпълнение

GPS се състои от три основни сегмента: космически, контролен и потребителски. GPS сателитите излъчват сигнал от космоса и всички GPS приемници използват този сигнал, за да изчислят своята позиция в пространството в три координати в реално време.

Космическият сегмент се състои от 32 спътника, обикалящи около земята.

Към 1 юни 2014 г. само 29 се използват по предназначение. На етапа на въвеждане на 1 космически кораб в системата, 2 космически кораба бяха изведени за поддръжка.

Контролният сегмент е основната контролна станция и няколко допълнителни станции, както и наземни антени и станции за наблюдение, някои от споменатите ресурси се споделят с други проекти.

Потребителският сегмент е представен от GPS приемници, управлявани от държавни институции и стотици милиони устройства, притежавани от обикновени потребители.

космически сателити

Неизстрелян сателит, изложен в музей. Изглед от страната на антените.

Сателитни орбити

Орбити на GPS сателити. Пример за видимостта на сателитите от една от точките на повърхността на Земята. Visible sat е броят на сателитите, видими над хоризонта на наблюдателя при идеални условия (чисто поле).

Сателитното съзвездие на системата NAVSTAR се върти около Земята в кръгови орбити с еднаква височина и период на въртене за всички сателити. Кръгова орбита с надморска височина от около 20 200 km е дневна множествена орбита с орбитален период от 11 часа 58 минути; по този начин сателитът прави две обиколки около Земята за един звезден ден (23 часа 56 минути). Орбиталният наклон (55°) също е общ за всички спътници в системата. Единствената разлика в орбитите на сателитите е дължината на възходящия възел или точката, в която равнината на орбитата на спътника пресича екватора: тези точки са приблизително на 60 градуса една от друга. Така, въпреки еднаквите (с изключение на дължината на възходящия възел) орбитални параметри, спътниците се въртят около Земята в шест различни равнини, по 4 спътника във всяка.

RF характеристики

Сателитите излъчват отворени за използване сигнали в диапазоните: L1=1575,42 MHz и L2=1227,60 MHz (започвайки от блок IIR-M), а моделите IIF също ще излъчват при L5=1176,45 MHz. Навигационната информация може да бъде получена от антената (обикновено в пряка видимост на сателитите) и обработена с помощта на GPS приемник.

Стандартният прецизно кодиран сигнал (C/A код - BPSK(1) модулация), предаван в обхвата L1 (и сигналът L2C (модулация BPSK) в обхвата L2, започвайки с IIR-M устройства), се разпространява без ограничения за употреба. Първоначално използвано на L1, изкуственото огрубяване на сигнала (режим на селективен достъп - S / A) е деактивирано от май 2000 г. От 2007 г. Съединените щати окончателно изоставиха техниката на изкуствено огрубяване. Предвижда се въвеждането на нов сигнал L1C (BOC (1,1) модулация) в обхвата L1 с пускането на устройства Block III. Той ще има обратна съвместимост, подобрена способност за следване на пътя и е по-съвместим със сигналите Galileo L1.

За военни потребители допълнително се предлагат сигнали в лентите L1 / L2, модулирани с устойчив на шум крипто-устойчив P (Y) код (BPSK (10) модулация). Започвайки с устройства IIR-M, беше пуснат в експлоатация нов M-код (използва се модулация BOC (15,10)). Използването на M-код позволява да се осигури функционирането на системата в рамките на концепцията Navwar (навигационна война). M-кодът се предава на съществуващите честоти L1 и L2. Този сигнал има повишена устойчивост на шум и е достатъчен за определяне на точните координати (в случай на P-код беше необходимо също да се получи C / A код). Друга особеност на М-кода ще бъде възможността за предаването му за определена зона с диаметър няколкостотин километра, където силата на сигнала ще бъде с 20 децибела по-висока. Конвенционалният M сигнал вече е наличен на сателитите IIR-M, докато тесният лъч ще бъде наличен само на сателитите GPS-III.

С изстрелването на блоковия спътник IIF беше въведена нова честота L5 (1176,45 MHz). Този сигнал също се нарича безопасност на живота(защита на човешки живот). Сигналът L5 е с 3 dB по-силен от гражданския сигнал и има честотна лента 10 пъти по-широка. Сигналът може да се използва в критични ситуации, свързани със заплаха за човешкия живот. Пълният сигнал ще се използва след 2014 г.

Сигналите се модулират с два вида псевдослучайни последователности (PRN): C/A-код и P-код. C/A (Clear access) - публичен код - е PRN с период на повторение от 1023 цикъла и честота на повторение на импулса от 1,023 MHz. Именно с този код работят всички граждански GPS приемници. P (Protected/precise)-код се използва в системи, затворени за общо ползване, периодът на неговото повторение е 2·10 14 цикъла. P-код модулираните сигнали се предават на две честоти: L1 = 1575.42 MHz и L2 = 1227.6 MHz. C/A кодът се предава само на честота L1. Носещата, освен с PRN кодове, е модулирана и с навигационно съобщение.

24 сателита гарантират, че системата е напълно работеща навсякъде по света, но не винаги осигурява надеждно приемане и добро изчисляване на позицията. Следователно, за да се повиши точността на позициониране и резервът в случай на повреди, общият брой на спътниците в орбита се поддържа в по-голям брой (31 спътника през март 2010 г.).

Наземни контролни станции на космическия сегмент

Орбиталното съзвездие се наблюдава от главната контролна станция, разположена във военновъздушната база Шрайвър, Колорадо, САЩ и с помощта на 10 проследяващи станции, три от които могат да изпращат коригиращи данни към сателитите под формата на радиосигнали с честота от 2000-4000 MHz. Най-новото поколение сателити разпределят получените данни между други спътници.

GPS приложение

GPS приемник на сигнал

Въпреки факта, че проектът GPS първоначално е бил насочен към военни цели, днес GPS се използва широко за граждански цели. GPS приемници се продават в много магазини за електроника, вградени са Мобилни телефони, смартфони, китка Цифров часовник, PDA и бордови устройства. На потребителите се предлагат и различни устройства и софтуерни продукти, които им позволяват да видят местоположението си на електронна карта; възможност за полагане на маршрути, като се вземат предвид пътните знаци, разрешените завои и дори задръстванията; търсете на картата конкретни къщи и улици, атракции, кафенета, болници, бензиностанции и друга инфраструктура.

• Геодезия: чрез GPS се определят точните координати на точките и границите на парцелите.
• Картография: GPS се използва в гражданската и военната картография.
• Навигация: С помощта на GPS се извършва както морска, така и пътна навигация.
• Сателитно наблюдение на транспорта: с помощта на GPS се следи позицията и скоростта на автомобилите и се контролира тяхното движение.
• Клетъчни: Първите мобилни телефони с GPS се появяват през 90-те години. В някои страни, като САЩ, това се използва за бързо намиране на човек, който се обажда на 911. В Русия през 2010 г. стартира подобен проект Era-Glonass.
• Тектоника, Тектоника на плочите: GPS се използва за наблюдение на движенията и колебанията на плочите.
• Дейности на открито: Има различни игри, които използват GPS, като геокешинг и др.
• Геомаркиране: информация, като снимки, се „маркира“ към координати с помощта на вградени или външни GPS приемници.

Има предложения за интегриране на системи Iridium и GPS.

точност

Компонентите, които допринасят за грешката на един сателит при измерване на псевдообхват, са дадени по-долу:

Общата грешка не е равна на сумата от компонентите.

Коефициентът на корелация на грешките на два съседни GPS приемника (при работа в кодов режим) е 0,15-0,4 в зависимост от отношението сигнал/шум. Колкото по-голямо е съотношението сигнал/шум, толкова по-голяма е корелацията. При засенчване на някои от спътниците и преотразяване на сигнала, корелацията може да падне до нулеви и дори отрицателни стойности. Също така, коефициентът на корелация на грешката зависи от геометричния фактор. С PDOP< 1,5 корреляция может достигать значения 0,7. Так как погрешность GPS складывается из многих составляющих, она не может быть представлена в виде нормального белого шума. По форме распределения погрешность есть сумма нормальной погрешности, взятой с коэффициентом 0,6-0,8 и погрешности, имеющей распределение Лапласа с коэффициентом 0,2-0,4. Автокорреляция суммарной погрешности GPS падает до значения 0,5 в течение приблизительно 10 секунд.

Типичната точност на съвременните GPS приемници в хоризонтална равнина е около 6-8 метра при добра сателитна видимост и използване на коригиращи алгоритми. В Съединените щати, Канада, Япония, Китай, Европейския съюз и Индия има станции WAAS, EGNOS, MSAS и др., предаващи диференциални корекции на режима, които могат да намалят грешката до 1-2 метра в тези страни. При използване на по-сложни диференциални режими точността на определяне на координатите може да се увеличи до 10 см. Точността на всяка SNS силно зависи от отвореността на пространството, от височината на използваните спътници над хоризонта.

В близко бъдеще всички устройства от сегашния GPS стандарт ще бъдат заменени от по-нова версия на GPS IIF, която има редица предимства, включително по-устойчива на смущения.

Но основното е, че GPS IIF осигурява много по-висока точност при определяне на координатите. Ако настоящите сателити предоставят грешка от 6 метра, тогава новите сателити ще могат да определят позицията, както се очаква, с грешка не повече от 60-90см. Ако такава точност не е само за военни, но и за цивилни приложения, тогава това е добра новина за собствениците на GPS навигатори.

Общо първоначалният договор предвиждаше изстрелването на 33 GPS сателита от ново поколение, но след това поради технически проблеми началото на изстрелването беше отложено от 2006 г. за 2010 г., а броят на сателитите беше намален от 33 на 12. През През септември 2014 г. първите седем спътника от новата версия бяха изведени в орбита: GPS IIF SV-1 (изстрелян на 28 май 2010 г.), GPS IIF-2 (изстрелян на 16 юли 2011 г.), GPS IIF-3 (изстрелян на 4 октомври, 2012 г.), GPS IIF-4 (лансиран на 15 май 2013 г.), GPS IIF-5 (лансиран на 21 февруари 2014 г.), GPS IIF-6 (лансиран на 17 май 2014 г.), GPS IIF-7 (лансиран на 2 август 2014 г.) .

Подобрената точност на GPS сателитите от следващо поколение е възможна чрез използването на по-точни атомни часовници. Тъй като спътниците се движат с около 14 000 km/h (3,874 km/s) (първа скорост на изход от 20 200 km), подобряването на точността на времето, дори в шестия знак, е от решаващо значение за трилатерацията. Въпреки това, дори точност от 10 см не е достатъчна за редица задачи в геодезията, по-специално за обвързване на границите на съседни парцели с терена. С грешка от 10 cm площта на парцел от 600 m² може да се намали или увеличи с 10 m².

недостатъци

Често срещан недостатък на използването на всяка радионавигационна система е, че при определени условия сигналът може да не достигне до приемника, или пристигат със значително изкривяване или закъснение. Например, почти невъзможно е да се определи точното ви местоположение в дълбините на апартамент в стоманобетонна сграда, в сутерен или в тунел, дори и с професионални геодезични приемници. Тъй като работната честота на GPS е в дециметровия диапазон на радиовълните, нивото на приемане на сигнала от сателитите може сериозно да се влоши под гъста зеленина на дървета или поради много тежки облаци. Нормалното приемане на GPS сигнали може да бъде повредено от смущения от много наземни радиоизточници, както и (в редки случаи) от магнитни бури или умишлено създадени от „заглушители“ (този метод за справяне със сателитните автомобилни аларми често се използва от крадци на автомобили ).

Ниският наклон на GPS орбитите (приблизително 55) сериозно влошава точността в околополярните региони на Земята, тъй като GPS сателитите не се издигат много високо над хоризонта.

GPS се внедрява и управлява от Министерството на отбраната на САЩ и следователно е напълно зависим от тази агенция, за да могат другите потребители да получат точен GPS сигнал.

Хронология