Műholdas navigáció A GPS már régóta a helymeghatározó rendszerek létrehozásának szabványa, és aktívan használják különféle nyomkövetőkben és navigátorokban. BAN BEN Arduino projektek A GPS-t különféle modulok segítségével integrálják, amelyekhez nincs szükség elméleti alapismeretekre. De egy igazi mérnöknek érdeklődnie kell a GPS elvének és működésének megértésében, hogy jobban megértse ennek a technológiának a képességeit és korlátait.

Hogyan működik a GPS

A GPS az Egyesült Államok Védelmi Minisztériuma által kifejlesztett műholdas navigációs rendszer, amely pontos koordinátákat és időt határoz meg. A világ bármely pontján, minden időjárási körülmény között működik. A GPS három részből áll - műholdakból, földi állomásokból és jelvevőkből.

A műholdas navigációs rendszer létrehozásának ötlete a múlt század 50-es éveiben született. A szovjet műholdak felbocsátását megfigyelő amerikai tudóscsoport észrevette, hogy a műhold közeledtével a jel frekvenciája nőtt és távolodva csökkent. Ez lehetővé tette annak megértését, hogy a földi koordináták ismeretében meg lehet mérni a műhold helyzetét és sebességét, és fordítva. A navigációs rendszer fejlesztésében óriási szerepet játszott a műholdak alacsony földi pályára bocsátása. És 1973-ban létrehozták a DNSS (NavStar) programot, e program szerint a műholdakat középföldi pályára bocsátották. Név GPS program ugyanabban az évben, 1973-ban kapták meg.

A GPS rendszert jelenleg nem csak katonai területen, hanem polgári célokra is használják. Számos alkalmazás létezik a GPS-hez:

• Mobil kapcsolat;
• Lemeztektonika - lemezingadozások követése;
• Szeizmikus aktivitás meghatározása;
• Járművek műholdas nyomon követése - figyelemmel kísérheti a járművek helyzetét, sebességét és szabályozhatja mozgásukat;
• Geodézia - a telkek pontos határainak meghatározása;
• Térképészet;
• Navigáció;
• Játékok, geocímkézés és egyéb szórakoztató területek.

A rendszer legfontosabb hátránya a jel vételének lehetetlensége bizonyos feltételek mellett. A GPS működési frekvenciái a deciméteres hullámhossz-tartományba esnek. Ez oda vezet, hogy a jelszint csökkenhet a magas felhőzet, a fák sűrű lombozata miatt. Rádióforrások, zavaró készülékek és ritka esetekben még a mágneses viharok is zavarhatják a normál jelátvitelt. Az adatmeghatározás pontossága a cirkumpoláris régiókban romlani fog, mivel a műholdak nem emelkednek túl magasra a Föld fölé.

Navigáció GPS nélkül

A kapott egyenleteket a műhold számított és tényleges helyzete közötti eltérés korrigálja. Az ennek következtében fellépő hibát efemerisznek nevezik, és 1-5 méterig terjed. Az interferencia is hozzájárul Légköri nyomás, páratartalom, hőmérséklet, az ionoszféra és a légkör hatása. Összességében az összes hiba összessége akár 100 méterig is növelheti a hibát. Egyes hibák matematikailag kiküszöbölhetők.

Az összes hiba csökkentése érdekében használja a GPS differenciál üzemmódját. Ebben a vevő az éteren keresztül megkapja a koordináták összes szükséges korrekcióját a bázisállomástól. A végső mérési pontosság eléri az 1-5 métert. A differenciál módban 2 módszer van a fogadott adatok javítására - ez maguknak a koordinátáknak a korrekciója és a korrekció navigációs lehetőségek. Az első módszer használata kényelmetlen, mivel minden felhasználónak ugyanazon a műholdon kell dolgoznia. A második esetben a helyzetmeghatározó berendezés bonyolultsága jelentősen megnő.

Létezik új osztály rendszerekben, ami 1 cm-re növeli a mérési pontosságot.. A műholdak irányai közötti szög nagy hatással van a pontosságra. Nagy szög esetén a hely nagyobb pontossággal kerül meghatározásra.

A mérési pontosságot az Egyesült Államok Védelmi Minisztériuma mesterségesen csökkentheti. Ehhez a navigációs eszközök be vannak állítva speciális mód S/A - korlátozott hozzáférés. A módot katonai célokra tervezték, hogy az ellenség ne legyen előnyben a pontos koordináták meghatározásában. 2000 májusa óta a korlátozott hozzáférési rendszert eltörölték.

Minden hibaforrás több csoportra osztható:

• Hiba a pályák kiszámításában;
• Vevővel kapcsolatos hibák;
• A jel akadályokról való ismételt visszaverődésével kapcsolatos hibák;
• Ionoszféra, troposzféra jelkésések;
• A műholdak elhelyezkedésének geometriája.

Főbb jellemzők

A GPS rendszer 24 mesterséges földi műholdat, földi nyomkövető állomások hálózatát és navigációs vevőket tartalmaz. A megfigyelő állomásokra szükség van a pályaparaméterek meghatározására és ellenőrzésére, a ballisztikai jellemzők kiszámítására, a mozgási pályáktól való eltérések beállítására és az űrhajók fedélzetén lévő berendezések vezérlésére.

A GPS navigációs rendszerek jellemzői:

• Műholdak száma - 26, 21 fő, 5 tartalék;
• A pályasíkok száma - 6;
• Keringési magasság - 20 000 km;
• A műholdak élettartama 7,5 év;
• Működési frekvenciák - L1 = 1575,42 MHz; L2=12275,6MHz, teljesítmény 50W, illetve 8W;
• A navigációs meghatározás megbízhatósága 95%.

A navigációs vevőkészülékek többféle típusúak - hordozhatóak, helyhez kötöttek és repülőgépek. A vevőkészülékeket számos paraméter is jellemzi:

• Csatornák száma - a modern vevőkészülékek 12-20 csatornát használnak;
• Antenna típusa;
• Térképészeti támogatás rendelkezésre állása;
• kijelző típusa;
• További funkciók;
• Különféle specifikációk- anyagok, szilárdság, nedvességvédelem, érzékenység, memóriakapacitás és mások.

Maga a navigátor működési elve - mindenekelőtt a készülék megpróbál kapcsolatba lépni a navigációs műholddal. Amint a kapcsolat létrejön, az almanach továbbításra kerül, vagyis az ugyanazon a navigációs rendszeren belül található műholdak pályájáról szóló információk. Egyetlen műholddal történő kommunikáció nem elegendő a pontos pozíció meghatározásához, ezért a fennmaradó műholdak efemereiket továbbítják a navigátornak, ami az eltérések, perturbációs tényezők és egyéb paraméterek meghatározásához szükséges.

Hideg-, meleg- és melegindítású GPS-navigátor

A navigátor első bekapcsolásakor vagy hosszú szünet után hosszú várakozási idő kezdődik az adatok fogadására. A hosszú várakozási idő abból adódik, hogy az almanach és az efemerisz hiányzik vagy elavult a navigátor memóriájában, ezért a készüléknek egy sor műveletet kell végrehajtania az adatok fogadásához vagy frissítéséhez. A várakozási idő, vagy az úgynevezett hidegindítási idő különféle mutatóktól függ - a vevő minőségétől, a légkör állapotától, zajtól, a látómezőben lévő műholdak számától.

A kezdéshez a navigátornak:

• Keressen egy műholdat, és hozzon létre vele kapcsolatot;
• Szerezze be az almanachot, és mentse el a memóriába;
• Szerezze be az efemerideket a műholdról, és mentse el őket;
• Keress még három műholdat, és létesíts velük kapcsolatot, fogadj tőlük efemeriszt;
• Számítsa ki a koordinátákat az efemerisz és a műholdpozíciók segítségével.

Csak a teljes ciklus lefutása után kezd el működni a készülék. Az ilyen indítást ún hideg indítás.

A melegindítás lényegesen különbözik a hidegindítástól. A navigátor memóriája már tartalmazza az aktuális almanachot és az efemeriszeket. Az almanach adatok 30 napig, az efemerisz 30 percig érvényesek. Ebből az következik, hogy a készülék rövid időre ki volt kapcsolva. A melegindítással az algoritmus egyszerűbb lesz - a készülék kapcsolatot létesít a műholddal, szükség esetén frissíti az efemeriszt, és kiszámítja a helyet.

Van egy meleg kezdés - ebben az esetben az almanach naprakész, és az efemeriszt frissíteni kell. Kicsit több időt vesz igénybe, mint a melegindítás, de sokkal kevesebb, mint a hidegindítás.

A házi készítésű GPS-modulok vásárlásának és használatának korlátozása

Az orosz jogszabályok előírják a gyártóknak, hogy csökkentsék a vevő észlelésének pontosságát. A nyers pontossággal csak akkor lehet dolgozni, ha a felhasználó rendelkezik speciális licenccel.

Kitiltották Orosz Föderáció Vannak speciális technikai eszközök, amelyek célja az információ titkos megszerzése (STS NPI). Ide tartoznak a GPS nyomkövetők, amelyek a járművek és egyéb tárgyak mozgásának titkos szabályozására szolgálnak. Az illegális fő jele technikai eszközökkel- a titkolózása. Ezért az eszköz megvásárlása előtt alaposan meg kell tanulmányoznia annak jellemzőit, kinézet, rejtett funkciókért, valamint megtekintheti a szükséges megfelelőségi tanúsítványokat.

Az is fontos, hogy a készüléket milyen formában értékesítik. Szétszerelt formában előfordulhat, hogy az eszköz nem vonatkozik az STS NPI-re. De összeszerelve a kész eszköz már tiltottnak minősülhet.

A GPS (az angol Global Positioning System – globális helymeghatározó rendszer rövidítése) az műholdas rendszer navigáció, a WGS 84 világkoordináta-rendszerben dolgozik. A GPS lehetővé teszi az objektumok helyzetének és sebességének meghatározását szinte bárhol a Földön. Érdekesség, hogy a rendszert az Egyesült Államok Védelmi Minisztériuma fejlesztette ki és vezette be, de jelenleg polgári célokra használják. Oroszország megalkotta saját műholdas navigációs rendszerét, amely az úgynevezett és már írtunk róla. A rendszerek hasonlóan működnek, de a GLONASS műholdak stabilabbak.

Régen a GPS-t ritkán használták a telefonokban, ezért egyfajta érdekesség volt, ami meglepte az embereket. De azok az idők rég elmúltak, és ma keményen kell dolgoznia, hogy olyan okostelefont találjon, amely nem támogatja a GPS-t.

Miért van szüksége GPS-re a telefonodban/okostelefonodban/táblagépedben?

A GPS elsősorban a készülék helyének meghatározására szolgál. Ez alapján a felhasználó megértheti, hogy éppen hol van. Ezen az elven alapulnak a navigációs térképek, amelyeket például az autósok használnak. A térképeken pedig az internettel együtt nem csak a készülék elhelyezkedése és a célhoz vezető út, hanem a forgalmi torlódások is megmutathatók. Egy szembetűnő példa a Yandex.Maps.

A GPS-es okostelefonokat nem csak a hétköznapi autósok használják, hanem nagyon népszerűek a futárok és a taxisok körében is – különösen, ha beszélgetünk a nagyvárosokról.

A helymeghatározás funkciót egyes szolgáltatások használják. Például be közösségi háló közzétehet egy fényképet, és megadhatja a koordinátákat, ahol éppen készült. Vannak olyan szolgáltatások, amelyek lehetővé teszik, hogy megjelölje tartózkodási helyét, nincs bekapcsolva egyszerű térképek, valamint egy üzletben vagy kávézóban – így a felhasználó elküldheti üzenetét barátainak és meghívhatja őket.

Vannak még társkereső szolgáltatások is a felhasználó aktuális tartózkodási helye alapján. Tehát a felhasználó jelzi, hol van, és látja a többi felhasználót a térképen. Például a felhasználók megismerhetik egymást, ha közel vannak a térképen.

Vannak hátrányai a GPS-nek?

Ennek megfelelően a GPS-ben nincsenek hiányosságok, de érdemes megjegyezni, hogy a hely nem mindig megbízható, mivel vannak hibahatárok. A pontosabb helymeghatározás érdekében egyszerre használhatja mindkét navigációs rendszert - a GPS-t és a GLONASS-t, különösen mivel mindkettőt számos eszköz használja.

A többi GPS-nek komoly pluszjai vannak. Ráadásul a rendszer valójában nem befolyásolja az eszköz költségét, ami az okostelefonok árán nyomon követhető: még a legolcsóbb készülékek is fel vannak szerelve GPS-szel.

GPS műhold keringő pályán

A rendszer használatának alapelve a hely meghatározása a navigációs műholdakról a fogyasztóhoz érkezett szinkronjel vételének időpontjainak mérésével. A távolságot a jel terjedésének késleltetési idejéből számítják ki a műhold általi elküldésétől a GPS-vevő antenna általi vételéig. Vagyis a háromdimenziós meghatározása GPS koordináták- a vevőnek négy egyenlettel kell rendelkeznie: „a távolság egyenlő a fénysebesség és a fogyasztói jel vételi pillanatai és a műholdakról érkező szinkron sugárzás pillanata közötti különbség szorzatával”:

Itt: - az -edik műhold helye, - a -adik műholdról érkező jel vételének pillanata a fogyasztó órája szerint, - az összes műhold szinkron sugárzásának ismeretlen időpontja a a fogyasztó órája, - a fénysebesség, - a fogyasztó ismeretlen háromdimenziós helyzete.

Sztori

A műholdas navigáció létrehozásának ötlete az 50-es években született. Abban a pillanatban, amikor a Szovjetunió felbocsátotta a Föld első mesterséges műholdját, Richard Kershner vezette amerikai tudósok megfigyelték a szovjet műholdból kiinduló jelet, és megállapították, hogy a Doppler-effektus miatt a vett jel frekvenciája a műhold közeledtével növekszik. távolodásával csökken. A felfedezés lényege az volt, hogy ha pontosan ismeri a koordinátáit a Földön, akkor lehetővé válik a műhold helyzetének és sebességének mérése, és fordítva, a műhold pontos helyzetének ismeretében meghatározhatja saját sebességét és koordinátáit. .

Ez az ötlet 20 év után valósult meg. 1973-ban elindították a DNSS programot, amelyet később Navstar-GPS-re, majd GPS-re kereszteltek. Az első tesztműholdat 1974. július 14-én, a teljes földfelszín lefedéséhez szükséges 24 műholda közül az utolsót 1993-ban bocsátották fel, így szolgálatba állt a GPS. Lehetővé vált, hogy a GPS segítségével pontosan célozzák a rakétákat álló, majd mozgó tárgyakra a levegőben és a földön.

Eredetileg GPS - globális rendszer helymeghatározás, tisztán katonai projektként fejlesztették ki. Ám miután a Korean Airlines 269 utassal a Szovjetunió légterét megszálló repülőgépét 1983-ban lelőtték a legénység térbeli tájékozatlansága miatt, Ronald Reagan amerikai elnök a hasonló tragédiák jövőbeni megelőzése érdekében engedélyezte a a navigációs rendszer polgári célú részleges használata. A rendszer katonai célú felhasználásának elkerülése érdekében a pontosságot egy speciális algoritmus csökkentette. [ adja meg]

Aztán megjelent az információ, hogy egyes vállalatok megfejtették az L1 frekvencián a pontosságot csökkentő algoritmust, és sikeresen kompenzálták a hiba ezen összetevőjét. 2000-ben Bill Clinton amerikai elnök rendeletével eltörölte a pontosság e durvítását.

Technikai megvalósítás

űrműholdak

Egy fel nem indított műhold egy múzeumban. Kilátás az antennák oldaláról.

Műholdas pályák

GPS műholdak pályája. Példa a műholdak láthatóságára a Föld felszínének egyik pontjáról. A Visible sat a megfigyelő horizontja felett ideális körülmények között (tiszta mező) látható műholdak száma.

A NAVSTAR rendszer műhold-konstellációja körkörös pályákon kering a Föld körül, minden műhold esetében azonos magassággal és forgási periódussal. A körülbelül 20 200 km magasságú körpálya egy napi többszörös keringési pálya 11 óra 58 perc keringési periódussal; így a műhold egy sziderikus nap (23 óra 56 perc) alatt két pályát tesz meg a Föld körül. Az orbitális dőlésszög (55°) szintén a rendszer összes műholdjára jellemző. A műholdak pályái között csak a felszálló csomópont hosszúsági foka különbözik, vagy az a pont, ahol a műhold pályájának síkja metszi az egyenlítőt: ezek a pontok megközelítőleg 60 fokra vannak egymástól. Így az azonos (a felszálló csomópont hosszúsági fokát kivéve) pályaparaméterek ellenére a műholdak hat különböző síkban keringenek a Föld körül, mindegyikben 4 műhold.

RF jellemzők

A műholdak az L1=1575,42 MHz és az L2=1227,60 MHz tartományban sugároznak nyitott jeleket (az IIR-M blokktól kezdve), és az IIF modellek is L5=1176,45 MHz-en sugároznak. A navigációs információkat egy antenna fogadja (általában a műholdakra néző vonalban), és egy GPS-vevővel dolgozhatja fel.

Az L1 sávban továbbított szabványos precíziós kódolású jel (C/A kód - BPSK moduláció (1)) (és az L2C jel (BPSK moduláció) az L2 sávban az IIR-M eszközöktől kezdve) felhasználási korlátozások nélkül kerül terjesztésre. Az eredetileg L1-en használt mesterséges jelnagyítás (szelektív hozzáférési mód – SA) 2000 májusa óta le van tiltva. 2007 óta az Egyesült Államok végleg felhagyott a mesterséges durvítás technikájával. A Block III eszközök piacra dobásával egy új L1C jel (BOC(1,1) moduláció) bevezetését tervezik az L1 sávban. Visszafelé kompatibilis, továbbfejlesztett útvonalkövetési képességgel rendelkezik, és jobban kompatibilis a Galileo L1 jeleivel.

Katonai felhasználók számára az L1 / L2 sávban lévő jelek is elérhetők, zajálló kriptorezisztens P (Y) kóddal modulálva (BPSK (10) moduláció). Az IIR-M eszközöktől kezdve új M-kód került üzembe (BOC (15,10) moduláció). Az M-kód használata lehetővé teszi a rendszer működésének biztosítását a Navwar koncepció (navigációs háború) keretein belül. Az M-kód továbbítása a meglévő L1 és L2 frekvenciákon történik. Ez a jel fokozott zajtűrővel rendelkezik, és elegendő a pontos koordináták meghatározásához (P-kód esetén a C / A kód beszerzése is szükséges volt). Az M-kód másik jellemzője az lesz, hogy egy meghatározott, több száz kilométeres átmérőjű területre továbbítható, ahol a jelerősség 20 decibellel lesz nagyobb. A hagyományos M jel már elérhető az IIR-M műholdakon, míg a keskeny sugár csak a GPS-III műholdakon.

Az IIF műhold felbocsátásával új L5 frekvenciát (1176,45 MHz) vezettek be. Ezt a jelet életbiztonságnak (emberi élet védelme) is nevezik. Az L5 jel 3 dB-lel erősebb, mint a polgári jel, és 10-szer szélesebb a sávszélessége. A jelzés olyan kritikus helyzetekben használható, amelyek emberi életet veszélyeztetnek. A teljes jelet 2014 után fogják használni.

A jeleket kétféle pszeudo-véletlen szekvenciával (PRN) modulálják: C/A-kóddal és P-kóddal. A C/A (Clear access) - nyilvános kód - egy PRN, amelynek ismétlési periódusa 1023 ciklus, és impulzusismétlési gyakorisága 1023 MHz. Ezzel a kóddal működik minden polgári GPS-vevő. A P (Protected/precise)-kód általános használatra zárt rendszerekben használatos, ismétlési periódusa 2*1014 ciklus. A P-kóddal modulált jelek továbbítása két frekvencián történik: L1 = 1575,42 MHz és L2 = 1227,6 MHz. A C/A kód csak az L1 frekvencián kerül továbbításra. A hordozót a PRN kódokon kívül egy navigációs üzenet is modulálja.

24 műhold biztosítja a rendszer 100%-os működőképességét bárhol a világon, de nem mindig biztosítanak megbízható vételt és jó helyzetszámítást. Ezért a helymeghatározási pontosság és a meghibásodások esetére való tartalék növelése érdekében a pályán lévő műholdak teljes számát fenntartjuk több(2010 márciusában 31 darab).

Az űrszegmens földi irányítóállomásai

Fő cikk: a műholdas navigációs rendszer földi szegmense

Az orbitális konstellációt a Colorado állambeli Schriever légibázison található fő irányító állomásról figyelik 10 nyomkövető állomás segítségével, amelyek közül három állomás képes rádiójelek formájában korrekciós adatokat küldeni a műholdaknak. 2000-4000 MHz frekvencia. műholdak legújabb generációja elosztja a vett adatokat a többi műhold között.

GPS alkalmazás

GPS jel vevő

Annak ellenére, hogy a GPS projekt eredetileg katonai célokat szolgált, ma már széles körben használják a GPS-t polgári célokra. A GPS-vevőket számos elektronikai üzletben értékesítik, és mobiltelefonokba, okostelefonokba, PDA-kba és beépített készülékekbe építik be. A fogyasztókat is kínálják különféle eszközökÉs szoftver termékek, amely lehetővé teszi tartózkodási helyének megtekintéséhez elektronikus térkép; képes útvonalakat kialakítani, figyelembe véve az útjelző táblákat, a megengedett kanyarokat és még a forgalmi dugókat is; kereshet a térképen adott házak és utcák, látnivalók, kávézók, kórházak, benzinkutak és egyéb infrastruktúra után.

Javaslatok születtek az Iridium és a GPS rendszerek integrálására.

Pontosság

Az alábbiakban felsoroljuk azokat a komponenseket, amelyek egyetlen műhold hibáját befolyásolják egy pszeudotartománymérésben:

A teljes hiba nem egyenlő az összetevők összegével.

A modern GPS-vevők jellemző pontossága vízszintes síkban körülbelül 6-8 méter, jó műholdláthatóság mellett korrekciós algoritmusok használatával. Az USA, Kanada, Japán, Kína, az Európai Unió és India területén találhatók WAAS, EGNOS, MSAS stb. állomások, amelyek a differenciál üzemmódra vonatkozó korrekciókat továbbítják, ami a területen 1-2 méterrel csökkenti a hibát. ezen országok közül. Bonyolultabb differenciálmódok alkalmazásakor a koordináták meghatározásának pontossága 10 cm-re növelhető, bármely SNS pontossága erősen függ a tér nyitottságától, a használt műholdak horizont feletti magasságától.

A közeljövőben a jelenlegi GPS-szabvány összes eszközét a GPS IIF újabb verziója váltja fel, amely számos előnnyel jár, többek között az interferencia-ellenálló képességgel is.

De a lényeg az, hogy a GPS IIF sokkal nagyobb pontosságot biztosít a koordináták meghatározásában. Ha a jelenlegi műholdak 6 méteres pontosságot biztosítanak, akkor az új műholdak legalább a várakozásoknak megfelelően képesek lesznek meghatározni a pozíciót. 60-90 cm. Ha ez a pontosság nem csak katonai, hanem polgári alkalmazásra is vonatkozik, akkor ez jó hír a GPS-navigátorok tulajdonosainak.

2011 októberétől az első két műhold új verzió V: A GPS IIF SV-1 2010-ben, a GPS IIF-2 pedig 2011. július 16-án indult.

Az eredeti szerződés összesen 33 új generációs GPS műhold felbocsátását írta elő, de akkor ennek köszönhetően technikai problémák a kilövés kezdetét 2006-ról 2010-re halasztották, a műholdak számát 33-ról 12-re csökkentették. A közeljövőben mindegyiket pályára állítják.

Az új generációs GPS-műholdak pontosabbá tételét pontosabb atomórák használata teszi lehetővé. Mivel a műholdak körülbelül 14 000 km/h-val (3,874 km/s) mozognak (az első menekülési sebesség 20 200 km-nél), az idő pontosságának javítása még a hatodik számjegynél is kritikus a háromszögelés szempontjából.

Hibák

Bármely rádiónavigációs rendszer használatának általános hátránya az bizonyos körülmények között előfordulhat, hogy a jel nem jut el a vevőhöz, vagy jelentős torzítással vagy késéssel érkezik. Például egy vasbeton épületen belüli lakás mélyén, pincében vagy alagútban még professzionális geodéziai vevőkészülékekkel is szinte lehetetlen meghatározni a pontos helyét. Mivel a GPS működési frekvenciája a deciméteres rádióhullám-tartományban van, a műholdak jelvételi szintje súlyosan leromolhat sűrű fák lombozata vagy erős felhőzet miatt. A GPS-jelek normál vételét befolyásolhatja számos földi rádióforrásból származó interferencia, valamint (ritka esetekben) a mágneses viharok, vagy szándékosan "zavaró" ( ez a módszer a műholdas autóriasztók elleni harcot gyakran használják az autótolvajok).

A GPS-pályák alacsony dőlése (körülbelül 55) súlyosan rontja a pontosságot a Föld körüli poláris régióiban, mivel a GPS-műholdak nem emelkednek túl magasra a horizont fölé.

A GPS alapvető jellemzője az Egyesült Államok Védelmi Minisztériumától érkező jel fogadásának feltételeinek teljes függése.

Most [ Amikor?] Az Egyesült Államok Védelmi Minisztériuma úgy döntött, hogy megkezdi a GPS-rendszer teljes frissítését. Már régen tervezték, de csak most indulhatott el a projekt. A frissítés során a régi műholdakat új, a Lockheed Martin és a Boeing által tervezett és gyártott műholdakra cserélik. Állítólag 0,5 méteres hibával képesek lesznek a helymeghatározási pontosságot biztosítani.

Ennek a programnak a végrehajtása némi [ melyik?] idő. Az amerikai védelmi minisztérium azt állítja, hogy a rendszer frissítését csak 10 év múlva lehet teljes mértékben befejezni. A műholdak száma nem változik, továbbra is 30 lesz: 24 működő és 6 készenléti állapotú.

Kronológia

Lásd még

• Transit (első műholdas navigációs rendszer, 1960-1996)
• Galileo (európai navigációs rendszer)
• GLONASS (orosz navigációs rendszer)

Megjegyzések

Irodalom

• Aleksandrov I.Űrrádió-navigációs rendszer NAVSTAR (orosz) // Külföldi katonai szemle. - M ., 1995. - 5. sz. - S. 52-63. - ISSN 0134-921X.
• Kozlovsky E. A pozicionálás művészete // A világ körül. - M ., 2006. - 12. szám (2795). - S. 204-280.
• Shebshaevich V. S., Dmitriev P. P., Ivantsev N. V. et al. Hálózati műholdas rádiónavigációs rendszerek / szerk. V. S. Sebsaevich. - 2. kiadás, átdolgozva. és további - M .: Rádió és kommunikáció, 1993. - 408 p. - ISBN 5-256-00174-4

Linkek

• Az Egyesült Államok kormányának és a GPS-rendszer hivatalos oldala a műholdas csillagkép állapotával (eng.)

• Global Navigation Satellite Systems (GNSS). Hogyan működik? , gps-club.ru

• Galileo és GPS
• Közös nyilatkozat a GLONASS és a GPS komplementaritásáról és kompatibilitásáról ( (nem elérhető link), másolás)

2008. május 27 Alekszej Bogomazov 1

A Global Positioning System vagy röviden GPS a világ egyetlen teljes értékű műholdas navigációs rendszere. Több mint 25 speciális műhold folyamatosan pontos (elsősorban időben) rádiójeleket küld ki, amelyeket a GPS-vevők felvesznek szerte a világon. Ez az adás lehetővé teszi a vevők (vevők) számára, hogy pontosan meghatározzák helyzetüket (hosszúság, szélesség, tengerszint feletti helyzet) bármilyen időjárás esetén, a nap bármely szakában, bárhol a világon.

NAK NEK jelen pillanat GPS mára létfontosságú rendszerré vált, szerves része a modern szárazföldi, tengeri, légi navigációnak, emellett fontos eszköze a térképek összeállításának, valamint a földfelszín tájképi változásainak megfigyelésének. Ez a rendszer bizonyos mértékben hozzájárul az olyan látszólag harmadik féltől származó iparágakhoz, mint a távközlés és a különféle tudományos kutatások (például a földrengések természetének tanulmányozása).

GPS rendszer az általa irányított amerikai védelmi minisztérium fejlesztette ki. Annak ellenére, hogy ennek a rendszernek a fenntartása kb $400 000 000 évente (ha a műholdak öregedését számoljuk), az egyszerű halandók szabadon használhatják szerény szükségleteikre.

2005 végén a már felbocsátott műholdak mellé egy újabb, következő generációs műhold került. Ennek a műholdnak volt egy száma további jellemzők, amelyek közül az egyik egy második polgári GPS-jel támogatása, amelyet L2C-nek hívnak, és a rendszer egészének pontosságát és megbízhatóságát hivatott javítani. A következő években újabb és újabb modernizált műholdak felbocsátását tervezik, a jövőben hozzá kellene adniuk egy harmadik és negyedik jelet, valamint egy rakás új funkciót, amit kizárólag a katonaság (ki kételkedne) ).

2000 augusztusában nyilvánosan elérhetővé vált a The Wide-Area Augmentation System (WAAS), és emberileg egy panorámarendszer, amely lehetővé tette egy hordozható készülék helyének meghatározását. GPS vevő két méteres pontossággal. Két méter persze nem rossz, de egy centiméteres pontosság érhető el, ha differenciális GPS-t (DGPS) használunk.

A GPS felhasználási körei

Valószínűleg sokan hallottak már róla GPS sokan használják naponta. Az emberek túlnyomó többsége számára azonban ez csak egy technológia, amely lehetővé teszi számukra, hogy meghatározzák helyzetüket a Föld felszínén. Valójában ez egy kicsit más, ezt a technológiát az emberi tevékenység legkülönbözőbb területein használják.

Azt kell mondanunk, hogy pontos időszinkronizálás nélkül az információ továbbításának hibaszintje azonnal megnő, és bizonyos esetekben az átvitel lehetetlenné válik. Ez a berendezés megvalósításának árnyalatainak köszönhető. Például a közönséges átvitel bizonyos megvalósításával helyi hálózatok, hálózati kártyák szinte minden bájt átvitele után szinkronizálni kell. Ez persze egy teljesen távoli példa, de képzeljük el, milyen szintű szinkronizálásnak kell lennie a sokkal komolyabb ipari és tudományos telepítéseknél.

A műholdak atomórái visszaszámolnak" GPS idő". Ezt az időt napokban, órákban, percekben, másodpercekben és így tovább mérik. Általában minden ugyanaz, mint a földi időben, ami a Föld forgásán alapul. A fő különbség az, hogy a GPS-idő abszolút Függetlenül a Föld forgásától. Egy GPS-nap 86400 másodperc SI-ben (egyébként SI, ez nem mérési rendszer, hanem nemzetközi rendszer , apróságnak tűnik, de nem mindenki tudja), ami a Nemzetközi Atomidő (TAI) szabvány (International Atomic Time).

BAN BEN 1980 A GPS-időt a koordinált világidővel (UTC) azonosították. Így a GPS órája 1980. január 6-án 00:00:00 UTC-kor (00:00:19 TAI) kezdett ketyegni, és a 19 másodperces különbség a homályos "szökőmásodpercek" miatt jött össze. De már a speciális tudományágak dzsungelébe megyünk, úgyhogy ha valakit érdekel, hajrá, egyúttal tanulja meg a relativitáselméletet, itt minden lépésnél megtalálható.

• Geofizika és geológia . A föld különböző rétegeinek feszültségének nagy pontosságú mérése GPS segítségével végezhető el. Először is foglalkozzunk a feszültséggel, ennek semmi köze az akkumulátorokhoz, itt inkább a kőzetek deformációjáról, elmozdulásáról van szó bármilyen erő hatására. Ennek az értéknek a méréséhez elegendő 2 GPS vevőt venni, amelyek közül az egyiknek stacionernek kell lennie (amennyire lehetséges), akkor könnyen meghatározható a második vevő eltolása az elsőhöz képest, ami lesz a kívánt érték . Ez a technológia alkalmazásokat talál a vulkánok megfigyelésében, és lehetővé teszi előre megjósolni a környező táj jövőbeni változásainak okait és alakját.

A GPS fejlesztés története

Fejlesztés GPS részben hasonló alapján földi rendszerek rádiónavigáció, mint pl LORAN(az 1940-es évek elején fejlesztették ki, és a második világháború idején használták). A rendszer fejlesztésének további lendülete volt a Szovjetunió első mesterséges műholdjának fellövése 1957-ben. Amerikai tudósokból álló csapat, amelyet dr. Richard B. Kershner figyelte a rádiójelek átvitelét a műholdról. Érdekes mintát vettek észre. A Doppler-effektusnak megfelelően a műhold által küldött rádiójel frekvenciája a műholdtól való távolság növekedésével csökken (minél tovább halad a jel, annál kisebb a frekvenciája). Hamar megértették, hogy a földgömbön elfoglalt pontos helyzetük, valamint a műhold által küldött jelek frekvenciájának ismeretében nagy pontossággal meg tudják határozni a műhold helyzetét a földkeringésben (a műhold számításai szerint). ugyanaz a Doppler). Könnyen érthető, hogy a fordított állítás is igaz, a műhold helyének és a jel frekvenciájának ismeretében meghatározható a Földön való tartózkodási helye.

Az első műholdas navigációs rendszer tranzit(az amerikai haditengerészet használta) 1960-ban sikeresen tesztelték. Ez a rendszer 5 műholdat használt, és körülbelül óránként tette lehetővé a navigációs korrekciókat. 1967-ben az amerikai haditengerészet kifejlesztett egy új műholdat, a Timationt, amely lehetővé tette egy pontos óra fedélzetére helyezését és tényleges pályára állítását (a technológia, amelyre a GPS támaszkodik). Az 1970-es években az Omega Navigation System lett az első rádiónavigációs rendszer, amely az egész földkerekséget lefedte. Ez a rendszer a jelek fázisainak összehasonlításán alapult.

Első kísérleti I. blokk A GPS műholdat 1978 februárjában bocsátották fel. Az első GPS műholdakat a Rockwell International készítette, jelenleg pedig a Lockheed Martin. Az 1983-as események után, amikor a Szovjetunió légvédelmi rendszere lelőtt egy utasszállító repülőgépet KAL 007 légterében (a vonalhajó tévedésből lépett be a Szovjetunió légterébe), megölve mindenkit, aki a fedélzeten tartózkodott (összesen 269 ember), Ronald Reagan amerikai elnök azt mondta, hogy a GPS az építkezés befejezése után azonnal elérhetővé válhat a civilek számára. 1985-re egy másik 10 I. blokk műholdak. Felbocsátották az első modern Block-II műholdat 1989. február 14. 1993 decemberére a műholdak számát felvitték arra a számra, amelynél a rendszer már működni tudott, 1994. január 17-re pedig mind a 24 műhold keringett.

1996-ban Bill Clinton amerikai elnök teljesen felismerte a GPS jelentőségét nemcsak katonai célokra, hanem polgári használatra is. Ezt követően jön egy direktíva, amely meghatározza a GPS mint kettős (katonai és polgári) rendszer státuszát. 1998-ban az Egyesült Államok alelnöke, Al Gore bejelentette, hogy további két polgári jelet ad a GPS-hez a rendszer pontosságának és megbízhatóságának javítása, valamint a repülésbiztonság magasabb szintjének biztosítása érdekében.

Az utolsó műhold kilövésére ben került sor 2005. szeptember, míg a jelenleg működő legrégebbi GPS-műhold indulási dátuma 1989. február.

GPS műholdak

A GPS-rendszer meghatározott módon, pontosabban bekapcsolt műholdakat használ Köztes körpálya (ICO). Ezek a Föld körüli pálya (1400 km) és a geoszinkron pálya (35790 km) közé zárt pályák. Ezen kívül három használaton kívüli műhold áll állandó pályán előre nem látható helyzetek és mindenféle meghibásodás és hiba esetén. Minden műhold pontosan naponta kétszer kerüli meg a Földet 20 200 km-es magasságban. A pályák úgy helyezkednek el, hogy egy adott időpontban a Föld felszínének szinte bármely pontja egyszerre négy műhold lefedettségén belül van. Mind a hat pályasíkon hat aktív műhold található. Mindegyik műhold pályája 55 fokkal eltér az egyenlítő síkjától.

A műholdak helyzetét öt földi állomás figyeli a világ minden táján (Hawaii, Kwajalein, Ascension Island, Diego Garcia, Colorado Springs). Ezen kívül van egy főállomás (repülőbázis Sólyom db-ban Colorado), amely minden információt másodlagos nyomkövető állomásokon keresztül továbbít a műholdakra. Ez az információ általában egy mikroszekundumos pontosságú időbeállítást tartalmaz.

Minden műhold rendszeresen, az atomórájának megfelelően, digitális formában továbbít időt és egyéb információkat a külvilág felé. Általában a műholdak sugározzák a pontos pozíciójukat a pályán, és az összes többi aktív GPS-műhold hozzávetőleges pozícióját. Úgy tűnik, miért továbbítanak információkat a fennmaradó műholdak helyéről, de a földi vevőkészülékek a legerősebb jelet választják, majd a kapott információk alapján megpróbálják elkapni a kevésbé erős jeleket más műholdaktól.

GPS vevők

A GPS-vevő fő célja, hogy meghatározza a helyzetét a Föld felszínén. Ezt a pozíciót három paraméter – a földrajzi szélesség és hosszúság, valamint a tengerszint feletti helyzet – egyedileg határozza meg. Ezenkívül a vevőnek meg kell határoznia a pontos időt, nem abban az értelemben, hogy mennyi az idő, hanem a műholddal való pontos szinkronizálás értelmében. Mindezeket a paramétereket a folyamat határozza meg trilateráció. Dióhéjban a trilateráció egy objektum helyzetének megtalálásából áll, legalább négy, ismert koordinátákkal rendelkező és az egyes pontoktól az objektumtól való ismert távolságok felhasználásával. Általánosságban elmondható, hogy nem távolságot találnak, hanem pszeudo-tartomány (pszeudorange), amely a távolság első közelítése.

Tehát a műholdak olyan jelet küldenek ki, amely titkosítja a saját koordinátáikat és a jel küldésének idejét. A jel vétele után a vevő dekódolja azt, kiszámítja az egyes műholdak pályáját, majd meghatározza a műholdak távolságát. A távolság kiszámítása a jel küldése és a vétel időpontja közötti késleltetés figyelembevételével történik. Így a jel érkezésének időpontjának ismeretében könnyen megtalálhatjuk a távolságot, ha megszorozzuk a jel sebességével.

A késleltetés pontos meghatározásának folyamata talán a legidőigényesebb. Minden műhold rendszeresen küld 1023 bit pszeudo tetszőleges szekvencia ( pszeudo véletlen sorrend), olyan sorozat, amelynek csak néhány tulajdonsága van egy tetszőlegesnek. Minden műholdnak saját szekvenciája van, amely lehetővé teszi számukra, hogy ugyanazokat a rádiófrekvenciákat osszák meg kódosztásos párhuzamos hozzáféréssel ( kódosztásos többszörös hozzáférés). A vevő létrehozza az egyes műholdak által küldött sorozatokat, és összehasonlítja a vettekkel, így a vevő könnyen felismeri az egyes műholdakat.

Térjünk vissza a háromoldalúság kérdéséhez. A vevő már 4 műhold pozíciót és 4 távolságot határoz meg ezektől. Most képzeljünk el 4 gömböt, amelyek középpontjában a műholdak találhatók, és amelyek sugara megegyezik a műholdak távolságával. Általánosságban elmondható, hogy az iskolai sztereometria alapján 3 lehetőség lehetséges: 2 metszéspont, egy metszéspont és nincs metszéspont. Nyilvánvaló okokból a metszéspont a vevő helye. Két pont lehetséges, ha minden műhold ugyanabban a síkban van, ami nem mindig lehetséges (3 műhold mindig ugyanabban a síkban fekszik). Ez a lehetőség elvileg szintén elfogadható, mivel az egyik pont valahol a Földön található, a második pedig szimmetrikus ahhoz a síkhoz képest, amelyben a műholdak fekszenek, vagy inkább valahol az űrben. A megfelelő kiválasztása meglehetősen egyszerű. Ha csak egy metszéspont van, akkor az a kívánt.

Valódi vevőkészülékekkel való munka során minden valamivel bonyolultabb, több egészen konkrét ok miatt. A GPS-vevő ára tól kezdődik $90 , és az atomórák ára megközelítőleg megegyezik a német autóipar több tucat termékének árával, és 50 Mercedes egyértelműen drágább, mint 50 dollár. Így a távolságot nem olyan egyszerű kiszámítani. Szerencsére egy közönséges óra elég pontos, ami szerencsére elég pontos összehasonlítást tud adni a jelzés idejére. Emiatt hiba van a földrajzi helyzet meghatározásakor, szerencsére kicsi (a gömbök kb. egy ponton metszik egymást).

Kicsit feljebb, amikor a távolságszámításról beszéltem, nem hiába hagytam ki a jelsebességet, ez az egyik legnagyobb probléma a GPS-szel. Ha fizikában iskolai feladatokat oldott meg, akkor ezt a sebességet egyenlőnek tekintik a vákuumban lévő fénysebességgel, ami általában véve nem igaz, a fény lassabban mozog a levegőben, más dolog, hogy ezeknek a sebességeknek az aránya egy és a nulla utáni első számjegy valahol elég messze van. A pontos pozíció kiszámításához azonban ezek a számok jelentősen hozzájárulnak. A legrosszabb az, hogy az ionoszférában (a probléma főleg itt van) szinte kiszámíthatatlanul változik a jel sebessége, és minél vastagabb rétegen kell áthaladnia a jelnek, annál nagyobb lehet a hiba. Ha a műhold közvetlenül a vevő felett lebeg, akkor a hiba minimális. Ha nem, akkor a hiba növekszik a műhold horizonttól való eltérésének szögével. Ennek a hibának a kijavításához először a vevő hozzávetőleges helyzetét határozzuk meg, majd egy matematikai modellt építünk, és ennek alapján kiküszöböljük a hibát.

A rádiójel sebességének változása az ionoszférában annak frekvenciájától, tehát a második frekvenciától függ L2(erről lentebb) a hiba kijavításához. Néhány katonai és drága polgári (általában megfigyelésre használt) vevőkészülék képes összehasonlítani a frekvenciákat L1És L2, számítsa ki a jel késleltetését a légkörben, és végezzen finom beállításokat.

A GPS-jelek szóródnak és visszaverődnek a környező felületekről – épületekről, terepről, sűrű talajról stb. Ez egy másik hiba oka. Számos vételi technikát úgy terveztek, hogy csökkentsék ezt a hibát (különösen Keskeny korrelátor távolság- elég konkrét kérdés, ahogy én értem, összehasonlítják az így kapott függvényt azzal, aminek lennie kellene elég szigorú feltételek mellett). Ha a jel elveszett és sokáig utazott valahova, akkor a vevő maga képes felismerni és figyelmen kívül hagyni az ilyen jelet. Ha a jel csak például a földfelszínről verődik vissza, akkor sokkal nehezebb kiszűrni (speciális antennákat használnak). Ez annak a ténynek köszönhető, hogy az ilyen hibák alig észrevehetők a fő jelhez képest, és nagyon hasonlóak a légtömegek szokásos mozgása által okozott torzulásokhoz.

Sok GPS-vevő képes információt továbbítani számítógépre vagy más eszközökre NMEA0183 jegyzőkönyv. NMEA2000- egy újabb, de kevésbé elterjedt protokoll.

GPS frekvenciák

Tehát nézzünk meg néhány olyan frekvenciát, amelyek a GPS elektromágneses hullámainak (rádióhullámok) spektrumában jelen vannak: (Miért több? A rendszer félig katonai, senki nem mondja meg a teljes igazságot).

• L1 (1575,42 MHz): első vivőfrekvencia;
• L2 (1227,60 MHz): második vivőfrekvencia; A műhold szinuszos jeleket bocsát ki ezen a két frekvencián. Mint fentebb említettük, küldés előtt ezeket a jeleket egy pszeudovéletlen sorrendben modulálják (fáziskulcsolás). Az L1 frekvenciát kétféle kód modulálja: C/A kód (szabad hozzáférési kód) és P(Y) kód (jogosult hozzáférési kód), az L2 frekvenciát pedig csak P kód modulálja. Ne felejtse el a műholdak helyzetére és az időre vonatkozó információkat, amelyek szintén jelen vannak ebben a jelben. Durva beszerzés C/A (szabad hozzáférési kód) impulzusfrekvenciája 1023 MHz, ismétlési periódusa 0,001 mp. Ezt a kódot probléma nélkül dekódolják, de a pontos pozíció meghatározása a segítségével szinte lehetetlen. Védett kód P(Y) (engedélyezett hozzáférési kód) impulzusismétlési frekvenciája 10,23 MHz, ismétlési periódusa pedig 7 nap. Ez a kód hetente egyszer változik, és csak az Egyesült Államok Védelmi Minisztériumának felhatalmazott személyei módosíthatják. Pontosabban megtehették, az amerikaiak hibáztak, és információ szivárgott ki belőlük. El kellett fogadni további intézkedéseket biztonság: Az Anti Spoofing mód bármikor elindítható. Ebben az esetben a P jelet kódolják és Y jellé alakítják, amelyet csak hardver tud dekódolni. Selective Availability SA (SA, Selective Access Mode) kifejezetten a jogosulatlan felhasználók elleni védelemre készült. Amikor ez az üzemmód működik, a műholdak helyzetére és az időre vonatkozó információ nem kerül elküldésre az információs üzenetben, hanem némileg javított információ. Kisebb korrekciókat végeznek (vízszintesen 10 méter, függőlegesen 30 méter, hozzávetőlegesen), és a meghatározás pontossága azonnal jelentősen csökken.
• L3 (1381,05 MHz): ez a műholdak hozzájárulása az Egyesült Államok védelmi programjához, ez a frekvencia rakétakilövések, nukleáris robbanások és egyéb kibocsátással járó események észlelésére szolgál egy nagy szám energia;
• L4 (1841,40 MHz): jel további hibajavításhoz, amikor a jel áthalad az ionoszférán;
• L5 (1176,45 MHz): frekvencia az SOC jelzésére (safety-of-life (SoL)). A vészjelzések ezen a frekvencián kerülnek kiküldésre, minimális vételi hiba előrejelzésével vagy egyáltalán nem. Az első ilyen frekvencián sugározni képes Block-IIF műhold 2008-ban indul fel.

Lehetőségek a GPS fejlesztésére

• Differenciál GPS (DGPS) - differenciálisGPS. Lehetővé teszi a meghatározás pontosságának növelését 4-20 méterről 1-3 méterre. Az alapelv az, hogy olyan helyhez kötött GPS-vevők földi hálózatát hozzuk létre, amelyek a műholdak leolvasása alapján kiszámítják koordinátáikat (amelyekben mindig van hiba), és összehasonlítják azokat az előre ismert koordinátáikkal. A korrekciót a helyi térben FM jelként sugározzák. Ez a módszer lehetővé teszi, hogy az olcsó polgári vevőkészülékek nagymértékben növeljék a pontosságukat.
• The Wide Area Augmentation System (WAAS) - panorámás rendszer. Földi állomások épülnek, amik megközelítőleg ugyanannyit foglalnak el, mint az előző esetben, csak nem sugározzák az éterben, hanem geoszinkron pályán további műholdaknak továbbítják, és azok viszont sugározzák az éterben, emellett információkat közölnek az ionoszférában jelentkező jelkésleltetésről stb. Ez a rendszer jelentősen segítheti a repülést rossz és nulla látási viszonyok között. Sajnos jelenleg csak néhány WAAS műholdat bocsátottak fel. Jelenleg ez a rendszer csak az Egyesült Államok nyugati és keleti partvidékein működik. Ennek a rendszernek analógjait azonban Európában az EGNOS, az Euro Geostacionary Navigation Overlay Service és Japán (MSAS, a Multi-Functional Satellite Augmentation System) hozza létre. Ezek a rendszerek szinte teljesen megegyeznek a WAAS rendszerrel.
• Helyi Területnövelő Rendszer (LAAS) . A korrekció hasonló az előző esethez, de az adás nem műholdról történik, hanem olyan földi állomásról, amelynek közelében nagyobb pontosság szükséges (például repülőtér).

A Block 2F a GPS-műholdak ötödik generációja, továbbfejlesztett szinkronizálással, zavarásgátló katonai jelekkel és erősebb polgári jelekkel, mint a műholdaké. előző generációk. A GPS-2F 12-15 éves orbitális működésre készült, és egy újraprogramozható processzorral van felszerelve, amely támogatja a szoftverletöltéseket.

Minden GPS-2F (vagy GPS IIF) sorozatú műhold a következő előnyökkel rendelkezik:

• jobb navigációs pontosság a továbbfejlesztett atomóra-technológiának köszönhetően;
• új L5 polgári jel áll rendelkezésre (az L5 jel a harmadik polgári jel, amelyet a rádiósávban kizárólag légiközlekedés-védelmi szolgálatok számára sugároznak);
• a katonai jelek fokozott teljesítmény- és zajállósága robotok számára agresszív környezetben;
• a műhold élettartamát 12 évre hosszabbították meg, ami csökkenti a rendszer egészének működési költségeit;
• átprogramozható processzor segítségével, amely képes fogadni szoftver frissítések a rendszer teljesítményének javítása érdekében.

A műhold jellemzői:

• A működési idő 12-15 év;
• Súly - 1630 kg;
• Keringés - 20200 km × 20200 km, 55,0°.

GPS

GPS ( Global Positioning System- globális helymeghatározó rendszer, GPS-el olvas) - műholdas navigációs rendszer, amely távolságot, időt mér, és meghatározza a helyzetet a WGS 84 világkoordináta-rendszerben. Lehetővé teszi, hogy bárhová eljuthasson (a sarki régiók kivételével), szinte bármilyen időjárási körülmények között, valamint Földközeli űrtér az objektumok helyzetének és sebességének meghatározásához. A rendszert az Egyesült Államok Védelmi Minisztériuma fejlesztette, implementálta és üzemeltette, jelenleg polgári használatra is elérhető - ehhez csak egy GPS-vevővel ellátott navigátor vagy egyéb eszköz (például okostelefon) kell.

A rendszer használatának alapelve a hely meghatározása a navigációs műholdakról érkező szinkronjelek fogyasztói antennája általi vételi időpontjainak mérésével. A háromdimenziós GPS-WAN koordináták meghatározásához a vevőnek négy egyenletre van szüksége: „a távolság egyenlő a fénysebesség, valamint a fogyasztó általi jelvétel pillanatai és a szinkron pillanata közötti különbség szorzatával. műholdak sugárzása”: . Itt: - az -edik műhold helye, - a -adik műholdról érkező jel vételének pillanata a fogyasztó órája szerint, - az összes műhold szinkronjel kibocsátásának ismeretlen ideje a fogyasztó órája szerint, - a fény sebessége , - a fogyasztó ismeretlen háromdimenziós helyzete.

Sztori

A műholdas navigáció létrehozásának ötlete az 1950-es években született meg. Abban a pillanatban, amikor a Szovjetunióban felbocsátották az első mesterséges Föld-műholdat, Richard Kershner vezette amerikai tudósok megfigyelték a szovjet műholdról érkező jelet, és megállapították, hogy a Doppler-effektus miatt a vett jel frekvenciája a műhold közeledtével növekszik. távolodásával csökken. A felfedezés lényege az volt, hogy ha pontosan ismeri a koordinátáit a Földön, akkor lehetővé válik a műhold helyzetének és sebességének mérése, és fordítva, a műhold pontos helyzetének ismeretében meghatározhatja saját sebességét és koordinátáit. .

1973-ban elindították a DNSS programot, amelyet később Navstar-GPS-re, majd GPS-re kereszteltek. Az első tesztműholdat 1974. július 14-én állították pályára. A szovjet helymeghatározó rendszer műholdjának 1982-es felbocsátása okot adott az Egyesült Államok Kongresszusának a pénz elkülönítésére és a munka felgyorsítására. Hidegháború volt, a fegyverkezési verseny egyre nagyobb lendületet kapott. 1983-ban intenzív munka kezdődött a GPS megalkotásán, és a földfelszín teljes lefedéséhez szükséges 24 műhold közül az utolsót 1993-ban bocsátották pályára, és a GPS szolgálatba állt. Lehetővé vált, hogy a GPS segítségével pontosan célozzák a rakétákat álló, majd mozgó tárgyakra a levegőben és a földön.

Kezdetben a globális helymeghatározó rendszert pusztán katonai projektként fejlesztették ki. Ám miután 1983-ban egy szovjet vadászgép lelőtte a Korean Airlines Boeing 747-esét, amely 269 utassal és személyzettel megszállta a szovjet légteret Szahalin-sziget közelében, mivel a legénység térbeli tájékozódási zavarát emlegették, Ronald Reagan amerikai elnök a hasonló esetek elkerülése érdekében. tragédiák a jövőben engedélyezték a navigációs rendszer polgári célokra való használatát az egész világon. A rendszer katonai felhasználásának elkerülése érdekében a pontosságot egy speciális algoritmus csökkentette.

Aztán megjelent az információ, hogy egyes vállalatok megfejtették az L1 frekvencián a pontosságot csökkentő algoritmust, és sikeresen kompenzálták a hiba ezen összetevőjét. 2000-ben Bill Clinton amerikai elnök rendeletével eltörölte a pontosság e durvítását.

Technikai megvalósítás

A GPS három fő szegmensből áll: tér, vezérlés és felhasználó. A GPS-műholdak jelet sugároznak az űrből, és minden GPS-vevő ezt a jelet használja a térbeli helyzetének három koordinátában való valós időben történő kiszámításához.

Az űrszegmens 32 műholdból áll, amelyek a Föld körül keringenek.

2014. június 1-től mindössze 29-et használnak rendeltetésszerűen. 1 űrhajó rendszerbe helyezésének szakaszában 2 űrhajót vettek ki karbantartásra.

A vezérlő szegmens a fő vezérlőállomás és több további állomások, valamint a földi antennák és távfelügyeleti állomások, az említett erőforrások egy része más projektekkel is meg van osztva.

A felhasználói szegmenst a kormányzati intézmények által üzemeltetett GPS-vevők és a hétköznapi felhasználók tulajdonában lévő eszközök százmilliói képviselik.

űrműholdak

Egy fel nem indított műhold egy múzeumban. Kilátás az antennák oldaláról.

Műholdas pályák

GPS műholdak pályája. Példa a műholdak láthatóságára a Föld felszínének egyik pontjáról. A Visible sat a megfigyelő horizontja felett ideális körülmények között (tiszta mező) látható műholdak száma.

A NAVSTAR rendszer műhold-konstellációja körkörös pályákon kering a Föld körül, minden műhold esetében azonos magassággal és forgási periódussal. A körülbelül 20 200 km magasságú körpálya egy napi többszörös keringési pálya 11 óra 58 perc keringési periódussal; így a műhold egy sziderikus nap (23 óra 56 perc) alatt két pályát tesz meg a Föld körül. Az orbitális dőlésszög (55°) szintén a rendszer összes műholdjára jellemző. A műholdak pályái között csak a felszálló csomópont hosszúsági foka különbözik, vagy az a pont, ahol a műhold pályájának síkja metszi az egyenlítőt: ezek a pontok megközelítőleg 60 fokra vannak egymástól. Így az azonos (a felszálló csomópont hosszúsági fokát kivéve) pályaparaméterek ellenére a műholdak hat különböző síkban keringenek a Föld körül, mindegyikben 4 műhold.

RF jellemzők

A műholdak az L1=1575,42 MHz és az L2=1227,60 MHz tartományban sugároznak nyitott jeleket (az IIR-M blokktól kezdve), és az IIF modellek is L5=1176,45 MHz-en sugároznak. A navigációs információkat egy antenna fogadja (általában a műholdakra néző vonalban), és egy GPS-vevővel dolgozhatja fel.

Az L1 sávban továbbított szabványos precíziós kódjel (C/A kód - BPSK(1) moduláció) (és az L2C jel (BPSK moduláció) az L2 sávban az IIR-M eszközöktől kezdve) felhasználási korlátozások nélkül kerül elosztásra. Az eredetileg L1-en használt mesterséges jelnagyítás (szelektív hozzáférési mód - S / A) 2000 májusa óta le van tiltva. 2007 óta az Egyesült Államok végleg felhagyott a mesterséges durvítás technikájával. A Block III eszközök piacra dobásával egy új L1C jel (BOC (1,1) moduláció) bevezetését tervezik az L1 sávban. Visszafelé kompatibilis, továbbfejlesztett útvonalkövetési képességgel rendelkezik, és jobban kompatibilis a Galileo L1 jeleivel.

Katonai felhasználók számára az L1 / L2 sávban lévő jelek is rendelkezésre állnak, amelyeket egy zajálló kriptorezisztens P (Y) kód (BPSK (10) moduláció) modulál. Az IIR-M eszközöktől kezdve új M-kód került üzembe (BOC (15,10) moduláció). Az M-kód használata lehetővé teszi a rendszer működésének biztosítását a Navwar koncepció (navigációs háború) keretein belül. Az M-kód továbbítása a meglévő L1 és L2 frekvenciákon történik. Ez a jel fokozott zajtűrővel rendelkezik, és elegendő a pontos koordináták meghatározásához (P-kód esetén a C / A kód beszerzése is szükséges volt). Az M-kód másik jellemzője az lesz, hogy egy meghatározott, több száz kilométeres átmérőjű területre továbbítható, ahol a jelerősség 20 decibellel lesz nagyobb. A hagyományos M jel már elérhető az IIR-M műholdakon, míg a keskeny sugár csak a GPS-III műholdakon.

Az IIF blokkműhold felbocsátásával új L5 frekvenciát (1176,45 MHz) vezettek be. Ezt a jelet más néven életbiztonság(az emberi élet védelme). Az L5 jel 3 dB-lel erősebb, mint a polgári jel, és 10-szer szélesebb a sávszélessége. A jelzés olyan kritikus helyzetekben használható, amelyek emberi életet veszélyeztetnek. A teljes jelet 2014 után fogják használni.

A jeleket kétféle pszeudo-véletlen szekvenciával (PRN) modulálják: C/A-kóddal és P-kóddal. A C/A (Clear access) - nyilvános kód - egy PRN, amelynek ismétlési periódusa 1023 ciklus, és impulzusismétlési gyakorisága 1,023 MHz. Ezzel a kóddal működik minden polgári GPS-vevő. A P (Protected/precise)-kód általános használatra zárt rendszerekben használatos, ismétlődési ideje 2·10 14 ciklus. A P-kóddal modulált jelek továbbítása két frekvencián történik: L1 = 1575,42 MHz és L2 = 1227,6 MHz. A C/A kód csak az L1 frekvencián kerül továbbításra. A szolgáltató a PRN kódokon kívül egy navigációs üzenettel is modulálva van.

24 műhold biztosítja, hogy a rendszer a világon bárhol teljesen működőképes legyen, de nem mindig biztosít megbízható vételt és jó pozíciószámítást. Ezért a helymeghatározási pontosság és a meghibásodások esetére való tartalék növelése érdekében a keringő műholdak összlétszámát nagyobb számban tartják fenn (2010 márciusában 31 műhold).

Az űrszegmens földi irányítóállomásai

Az orbitális konstellációt a Colorado állambeli Schriever légibázison található fő irányító állomásról figyelik 10 nyomkövető állomás segítségével, amelyek közül három képes rádiójelek formájában korrekciós adatokat küldeni a műholdaknak. 2000-4000 MHz. A műholdak legújabb generációja szétosztja a vett adatokat a többi műhold között.

GPS alkalmazás

GPS jel vevő

Annak ellenére, hogy a GPS projekt eredetileg katonai célokat szolgált, ma már széles körben használják a GPS-t polgári célokra. GPS-vevőket sok elektronikai üzletben árulnak, beépítik Mobiltelefonok, okostelefonok, csukló Digitális óra, PDA és onboarders. A fogyasztóknak különféle eszközöket és szoftvertermékeket is kínálnak, amelyek segítségével elektronikus térképen láthatják tartózkodási helyüket; képes útvonalakat kialakítani, figyelembe véve az útjelző táblákat, a megengedett kanyarokat és még a forgalmi dugókat is; kereshet a térképen adott házak és utcák, látnivalók, kávézók, kórházak, benzinkutak és egyéb infrastruktúra után.

• Geodézia: GPS segítségével meghatározzuk a pontok pontos koordinátáit és a telkek határait.
• Térképészet: A GPS-t polgári és katonai térképészetben használják.
• Navigáció: GPS segítségével tengeri és közúti navigáció is történik.
• A közlekedés műholdas megfigyelése: GPS segítségével az autók helyzetét, sebességét figyelik, mozgásukat irányítják.
• Mobil: Az első GPS-es mobiltelefonok a 90-es években jelentek meg. Egyes országokban, például az Egyesült Államokban ezt használják a 911-et hívó személy gyors megtalálására. Oroszországban 2010-ben egy hasonló projektet indítottak el, az Era-Glonass néven.
• Tektonika, lemeztektonika: A GPS-t a lemezmozgások és oszcillációk megfigyelésére használják.
• Szabadtéri tevékenységek: Vannak különböző GPS-t használó játékok, mint például a geocaching stb.
• Geo-tagging: az információk, például a fényképek, a beépített vagy külső GPS-vevők segítségével koordinátákhoz vannak „címkézve”.

Javaslatok születtek az Iridium és a GPS rendszerek integrálására.

Pontosság

Az alábbiakban felsoroljuk azokat az összetevőket, amelyek hozzájárulnak egyetlen műhold hibájához egy pszeudotávolság-mérésben:

A teljes hiba nem egyenlő az összetevők összegével.

Két szomszédos GPS vevő hibáinak korrelációs együtthatója (kód módban üzemelve) 0,15-0,4, a jel-zaj viszonytól függően. Minél nagyobb a jel-zaj arány, annál nagyobb a korreláció. Egyes műholdak árnyékolásakor és a jel visszaverésekor a korreláció nullára, sőt akár negatív értékekre is csökkenhet. A hibakorrelációs együttható a geometriai tényezőtől is függ. PDOP-val< 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.

A modern GPS-vevők jellemző pontossága vízszintes síkban körülbelül 6-8 méter, jó műholdláthatóság mellett korrekciós algoritmusok használatával. Az Egyesült Államokban, Kanadában, Japánban, Kínában, az Európai Unióban és Indiában léteznek differenciális móduskorrekciót továbbító WAAS, EGNOS, MSAS stb. állomások, amelyek ezekben az országokban 1-2 méteresre csökkenthetik a hibát. Bonyolultabb differenciálmódok alkalmazásakor a koordináták meghatározásának pontossága 10 cm-re növelhető, bármely SNS pontossága erősen függ a tér nyitottságától, a használt műholdak horizont feletti magasságától.

A közeljövőben a jelenlegi GPS-szabvány összes eszközét a GPS IIF újabb verziója váltja fel, amely számos előnnyel jár, többek között az interferencia-ellenálló képességgel is.

De a lényeg az, hogy a GPS IIF sokkal nagyobb pontosságot biztosít a koordináták meghatározásában. Ha a jelenlegi műholdak 6 méteres hibát biztosítanak, akkor az új műholdak a várakozásoknak megfelelően legfeljebb hibával tudják meghatározni a pozíciót. 60-90 cm. Ha ez a pontosság nem csak katonai, hanem polgári alkalmazásra is vonatkozik, akkor ez jó hír a GPS-navigátorok tulajdonosainak.

Az eredeti szerződés összesen 33 új generációs GPS műhold felbocsátását írta elő, majd technikai problémák miatt a kilövés megkezdését 2006-ról 2010-re halasztották, a műholdak számát pedig 33-ról 12-re csökkentették. 2014 szeptemberében az új verzió első hét műholdját pályára állították: GPS IIF SV-1 (indult 2010. május 28-án), GPS IIF-2 (2011. július 16-án), GPS IIF-3 (október 4-én, 2012), GPS IIF-4 (indulás: 2013. május 15.), GPS IIF-5 (indulás: 2014. február 21.), GPS IIF-6 (indulás: 2014. május 17.), GPS IIF-7 (indulás: 2014. augusztus 2.) .

A következő generációs GPS műholdak pontosabbá tételét pontosabb atomórák használata teszi lehetővé. Mivel a műholdak körülbelül 14 000 km/h-val (3,874 km/s) haladnak (az első menekülési sebesség 20 200 km-nél), az idő pontosságának javítása még a hatodik jelnél is kritikus fontosságú a trilateráció szempontjából. Azonban még a 10 cm-es pontosság sem elegendő számos geodéziai feladathoz, különösen a szomszédos telkek határainak a terephez való kötéséhez. 10 cm-es hibával egy 600 m²-es telek területe 10 m²-rel csökkenhet vagy nőhet.

Hibák

Bármely rádiónavigációs rendszer használatának általános hátránya az bizonyos körülmények között előfordulhat, hogy a jel nem jut el a vevőhöz, vagy jelentős torzítással vagy késéssel érkezik. Például egy vasbeton épületen belüli lakás mélyén, pincében vagy alagútban még professzionális geodéziai vevőkészülékekkel is szinte lehetetlen meghatározni a pontos helyét. Mivel a GPS működési frekvenciája a deciméteres rádióhullám-tartományban van, a műholdak jelvételi szintje súlyosan leromolhat sűrű fák lombozata vagy erős felhőzet miatt. A GPS-jelek normál vételét károsíthatja számos földi rádióforrásból származó interferencia, valamint (ritka esetekben) a mágneses viharok, vagy szándékosan „zavaró” (ezt a műholdas autóriasztók kezelési módszerét gyakran használják az autótolvajok). ).

A GPS-pályák alacsony dőlése (körülbelül 55) súlyosan rontja a pontosságot a Föld körüli poláris régióiban, mivel a GPS-műholdak nem emelkednek túl magasra a horizont fölé.

A GPS-t az Egyesült Államok Védelmi Minisztériuma valósítja meg és üzemelteti, ezért teljes mértékben attól az ügynökségtől függ, hogy a többi felhasználó pontos GPS-jelet kapjon.

Kronológia