Satellitnavigering GPS har länge varit standarden för att skapa positioneringssystem och används aktivt i olika spårare och navigatorer. I Arduino-projekt GPS är integrerat med hjälp av olika moduler som inte kräver kunskap om teoretiska grunder. Men en riktig ingenjör bör vara intresserad av att förstå principen och funktionen av GPS för att bättre förstå kapaciteten och begränsningarna hos denna teknik.

Hur GPS fungerar

GPS är ett satellitnavigeringssystem utvecklat av det amerikanska försvarsdepartementet som bestämmer exakta koordinater och tid. Fungerar var som helst i världen i alla väderförhållanden. GPS består av tre delar - satelliter, stationer på jorden och signalmottagare.

Idén om att skapa ett satellitnavigeringssystem uppstod på 50-talet av förra seklet. Ett amerikanskt team av forskare som observerade uppskjutningen av sovjetiska satelliter märkte att när satelliten närmade sig ökade och minskade signalens frekvens när den rörde sig bort. Detta gjorde det möjligt att förstå att det är möjligt att mäta satellitens position och hastighet, att känna till dess koordinater på jorden och vice versa. En stor roll i utvecklingen av navigationssystemet spelades av lanseringen av satelliter i låg omloppsbana om jorden. Och 1973 skapades programmet DNSS (NavStar), enligt detta program lanserades satelliter i medelhög jordomloppsbana. namn GPS-program erhöll samma år 1973.

GPS-systemet används för närvarande inte bara inom det militära området, utan även för civila ändamål. Det finns många applikationer för GPS:

• Mobil anslutning;
• Plattektonik - spårning av plattfluktuationer;
• Bestämning av seismisk aktivitet;
• Satellitspårning av fordon - du kan övervaka fordonens position, hastighet och kontrollera deras rörelse;
• Geodesi - bestämning av de exakta gränserna för tomter;
• Kartografi;
• Navigering;
• Spel, geotaggning och andra underhållningsområden.

Den viktigaste nackdelen med systemet kan betraktas som omöjligheten att ta emot en signal under vissa förhållanden. GPS-driftsfrekvenserna ligger inom decimetervåglängdsområdet. Detta leder till att signalnivån kan minska på grund av höga moln, tätt lövverk av träd. Radiokällor, störsändare och i sällsynta fall även magnetiska stormar kan också störa normal signalöverföring. Noggrannheten i databestämningen kommer att försämras i de cirkumpolära områdena, eftersom satelliterna inte reser sig särskilt högt över jorden.

Navigering utan GPS

De resulterande ekvationerna korrigeras av diskrepansen mellan satellitens beräknade och faktiska position. Felet som uppstår till följd av detta kallas efemeris och sträcker sig från 1 till 5 meter. Störningar bidrar också Atmosfärstryck, luftfuktighet, temperatur, jonosfärens och atmosfärens påverkan. Totalt kan alla fel ta felet upp till 100 meter. Vissa fel kan elimineras matematiskt.

För att minska alla fel, använd differentialläget för GPS. I den tar mottagaren emot alla nödvändiga korrigeringar av koordinaterna från basstationen. Den slutliga mätnoggrannheten når 1-5 meter. I differentialläget finns det 2 metoder för att korrigera mottagna data - detta är korrigeringen av själva koordinaterna och korrigeringen navigeringsalternativ. Den första metoden är obekväm att använda, eftersom alla användare måste arbeta på samma satelliter. I det andra fallet ökar komplexiteten hos utrustningen för att bestämma positionen avsevärt.

Existerar ny klass system, vilket ökar mätnoggrannheten till 1 cm.. Vinkeln mellan riktningarna till satelliterna har en enorm inverkan på noggrannheten. Med en stor vinkel kommer platsen att bestämmas med större noggrannhet.

Mätnoggrannheten kan minskas på konstgjord väg av det amerikanska försvarsdepartementet. För att göra detta är navigationsenheter inställda specialläge S/A - begränsad tillgång. Läget är designat för militära ändamål, för att inte ge fienden en fördel när det gäller att bestämma de exakta koordinaterna. Sedan maj 2000 har ordningen för begränsad tillgång avskaffats.

Alla felkällor kan delas in i flera grupper:

• Fel i beräkningen av banor;
• Mottagare relaterade fel;
• Fel associerade med upprepad reflektion av signalen från hinder;
• Jonosfär, troposfäriska signalfördröjningar;
• Geometrin för satelliternas placering.

Huvuddragen

GPS-systemet inkluderar 24 konstgjorda jordsatelliter, ett nätverk av markspårningsstationer och navigationsmottagare. Observationsstationer krävs för att bestämma och kontrollera omloppsparametrar, beräkna ballistiska egenskaper, justera avvikelser från rörelsebanor och styra utrustning ombord på rymdfarkoster.

Egenskaper för GPS-navigeringssystem:

• Antal satelliter - 26, 21 huvud, 5 reserv;
• Antalet orbitalplan - 6;
• Banhöjd - 20 000 km;
• Livslängden för satelliter är 7,5 år;
• Driftsfrekvenser - L1 = 1575,42 MHz; L2=12275,6MHz, effekt 50W respektive 8W;
• Tillförlitligheten för navigationsbestämning är 95 %.

Navigationsmottagare är av flera typer - bärbara, stationära och flyg. Mottagare kännetecknas också av ett antal parametrar:

• Antal kanaler - moderna mottagare använder från 12 till 20 kanaler;
• Antenntyp;
• Tillgänglighet av kartografiskt stöd;
• Bildskärmstyp;
• Ytterligare funktioner;
• Olika specifikationer- material, styrka, fuktskydd, känslighet, minneskapacitet och annat.

Funktionsprincipen för själva navigatorn - först och främst försöker enheten kontakta navigationssatelliten. Så fort anslutningen är upprättad sänds almanackan, det vill säga information om banorna för satelliter som finns inom samma navigationssystem. Kommunikation med endast en satellit räcker inte för att få en exakt position, så de återstående satelliterna sänder sin efemeri till navigatorn, vilket är nödvändigt för att bestämma avvikelser, störningsfaktorer och andra parametrar.

Kall, varm och varmstart GPS-navigator

När du slår på navigatorn för första gången eller efter en lång paus börjar en lång väntetid för att ta emot data. Den långa väntetiden beror på att almanackan och efemerin saknas eller är inaktuella i navigatorns minne, så enheten måste utföra en rad åtgärder för att ta emot eller uppdatera data. Väntetiden, eller den så kallade kallstartstiden, beror på olika indikatorer - mottagarens kvalitet, atmosfärens tillstånd, brus, antalet satelliter i synfältet.

För att komma igång måste navigatorn:

• Hitta en satellit och upprätta en förbindelse med den;
• Skaffa almanackan och spara den i minnet;
• Få efemerier från satellit och spara dem;
• Hitta ytterligare tre satelliter och etablera kontakt med dem, ta emot efemerier från dem;
• Beräkna koordinater med hjälp av efemeri och satellitpositioner.

Först efter att ha gått igenom hela denna cykel kommer enheten att börja fungera. En sådan lansering kallas kall start.

En varmstart skiljer sig markant från en kallstart. Navigatorns minne innehåller redan den aktuella almanackan och efemerin. Almanacksdata är giltiga i 30 dagar, efemeris i 30 minuter. Av detta följer att enheten var avstängd under en kort tid. Med en varmstart blir algoritmen enklare - enheten upprättar en anslutning till satelliten, uppdaterar efemeriet om det behövs och beräknar platsen.

Det finns en varm start - i det här fallet är almanackan uppdaterad, och efemerin behöver uppdateras. Det tar lite mer tid än en varmstart, men mycket mindre än en kallstart.

Restriktioner för köp och användning av hemmagjorda GPS-moduler

Rysk lagstiftning kräver att tillverkare minskar noggrannheten för mottagardetektering. Arbete med rå precision kan endast utföras om användaren har en specialiserad licens.

Banad in Ryska Federationen det finns speciella tekniska medel utformade för att i hemlighet skaffa information (STS NPI). Dessa inkluderar GPS-spårare, som används för att i hemlighet kontrollera rörelsen av fordon och andra föremål. Det främsta tecknet på olagligt tekniska medel- hans sekretess. Därför, innan du köper en enhet, måste du noggrant studera dess egenskaper, utseende, för dolda funktioner, samt visa nödvändiga intyg om överensstämmelse.

Det är också viktigt i vilken form enheten säljs. I demonterad form kanske enheten inte gäller STS NPI. Men när den är monterad kan den färdiga enheten redan klassificeras som förbjuden.

GPS (förkortning av engelska Global Positioning System - global positioning system) är satellitsystem navigering, arbetar i världskoordinatsystemet WGS 84. GPS låter dig bestämma platsen och hastigheten för objekt nästan var som helst på jorden. Intressant nog utvecklades och implementerades systemet av det amerikanska försvarsdepartementet, men används för närvarande för civila ändamål. Ryssland har skapat sitt eget satellitnavigeringssystem, som kallas och vi har redan skrivit om det. Systemen fungerar på liknande sätt, men GLONASS-satelliter är mer stabila.

För en tid sedan användes GPS sällan i telefoner, och därför var det en sorts nyfikenhet som kunde överraska folk. Men de dagarna är förbi sedan länge och idag måste du jobba hårt för att hitta en smartphone som saknar GPS-stöd.

Varför behöver du GPS i din telefon/smartphone/surfplatta?

GPS används främst för att fastställa enhetens plats. Utifrån detta kan användaren förstå var han befinner sig för tillfället. Navigationskartor bygger på denna princip, som till exempel används av bilister. Och tillsammans med Internet kan kartor visa inte bara enhetens plats och vägen till målet, utan också trafikstockningar. Ett slående exempel är Yandex.Maps.

Smartphones med GPS används inte bara av vanliga bilister, de är mycket populära bland kurirer, såväl som taxichaufförer - speciellt när vi pratar om storstäder.

Platsfunktionen används i vissa tjänster. Till exempel i socialt nätverk du kan lägga upp ett foto och ange koordinaterna där det precis togs. Det finns tjänster som låter dig markera din plats som inte på enkla kartor, och i en butik eller ett café - så att användaren kan skicka sitt meddelande till vänner och bjuda in dem.

Det finns till och med dejtingtjänster baserade på användarens nuvarande plats. Så användaren anger var han är och ser andra användare på kartan. Användare kan till exempel lära känna varandra om de är i närheten på kartan.

Finns det nackdelar med GPS?

Som sådan finns det inga brister i GPS, men det är värt att komma ihåg att platsen kanske inte alltid är tillförlitlig, eftersom det finns felmarginaler. För mer exakt positionering kan du använda båda navigationssystemen samtidigt - GPS och GLONASS, särskilt eftersom de båda används i många enheter.

Resten av GPS:en har solida plus. Dessutom påverkar systemet faktiskt inte kostnaden för enheten, som du kan spåra på kostnaden för smartphones: även de billigaste enheterna är utrustade med GPS.

GPS-satellit i omloppsbana

Grundprincipen för att använda systemet är att bestämma platsen genom att mäta tidpunkterna för att ta emot en synkroniserad signal från navigationssatelliter till konsumenten. Avståndet beräknas från signalutbredningsfördröjningstiden från att den sänds av satelliten tills den tas emot av GPS-mottagarens antenn. Det vill säga att bestämma det tredimensionella GPS-koordinater- Mottagaren måste ha fyra ekvationer: "avståndet är lika med produkten av ljusets hastighet och skillnaden mellan ögonblicken för mottagning av konsumentsignalen och ögonblicket för dess synkrona strålning från satelliterna":

Här: - platsen för den -e satelliten, - ögonblicket för mottagning av signalen från den -e satelliten enligt konsumentens klocka, - det okända ögonblicket i tiden för synkron utsändning av signalen från alla satelliter enligt konsumentens klocka, - ljusets hastighet, - konsumentens okända tredimensionella position.

Berättelse

Idén om att skapa satellitnavigering föddes på 50-talet. I det ögonblick då Sovjetunionen lanserade jordens första konstgjorda satellit observerade amerikanska forskare under ledning av Richard Kershner signalen från den sovjetiska satelliten och fann att på grund av Dopplereffekten ökar frekvensen av den mottagna signalen när satelliten närmar sig och minskar när den rör sig bort. Kärnan i upptäckten var att om du vet exakt dina koordinater på jorden, blir det möjligt att mäta satellitens position och hastighet, och vice versa, genom att veta den exakta positionen för satelliten, kan du bestämma din egen hastighet och koordinater .

Denna idé förverkligades efter 20 år. 1973 initierades DNSS-programmet, som senare döptes om till Navstar-GPS och sedan GPS. Den första testsatelliten lanserades den 14 juli 1974 och den sista av alla 24 satelliter som behövdes för att täcka hela jordens yta lanserades 1993, så GPS togs i bruk. Det blev möjligt att använda GPS för att exakt rikta missiler till stationära och sedan rörliga föremål i luften och på marken.

Ursprungligen GPS - globala systemet positionering, utvecklades som ett rent militärt projekt. Men efter att ett Korean Airlines-plan med 269 passagerare ombord som invaderade Sovjetunionens luftrum sköts ner 1983 på grund av desorientering av besättningen i rymden, tillät USA:s president Ronald Reagan, för att förhindra liknande tragedier i framtiden, partiell användning av navigationssystemet för civila ändamål. För att undvika användningen av systemet för militära ändamål reducerades noggrannheten med en speciell algoritm. [ specificera]

Sedan dök det upp information om att vissa företag hade dechiffrerat algoritmen för att minska noggrannheten vid L1-frekvensen och framgångsrikt kompenserat för denna komponent av felet. År 2000 avskaffade USA:s president Bill Clinton denna förgrovning av noggrannheten genom sitt dekret.

Tekniskt genomförande

rymdsatelliter

En ouppskjuten satellit som visas på ett museum. Utsikt från sidan av antennerna.

Satellitbanor

Banor för GPS-satelliter. Ett exempel på synligheten av satelliter från en av punkterna på jordens yta. Visible sat är antalet satelliter som är synliga ovanför observatörens horisont under idealiska förhållanden (klart fält).

Satellitkonstellationen i NAVSTAR-systemet kretsar runt jorden i cirkulära banor med samma höjd och rotationsperiod för alla satelliter. En cirkulär bana med en höjd av cirka 20 200 km är en daglig mångfaldsbana med en omloppstid på 11 timmar 58 minuter; således gör satelliten två omlopp runt jorden på en siderisk dag (23 timmar 56 minuter). Orbitallutningen (55°) är också gemensam för alla satelliter i systemet. Den enda skillnaden i satelliternas banor är longituden för den stigande noden, eller den punkt där planet för satellitens omloppsbana skär ekvatorn: dessa punkter är ungefär 60 grader från varandra. Således, trots samma (förutom longituden för den stigande noden) omloppsparametrar, kretsar satelliterna runt jorden i sex olika plan, 4 satelliter i varje.

RF-egenskaper

Satelliterna utstrålar öppna för användningssignaler i intervallen: L1=1575,42 MHz och L2=1227,60 MHz (med början från Block IIR-M), och IIF-modeller kommer också att utstråla vid L5=1176,45 MHz. Navigationsinformation kan tas emot av en antenn (vanligtvis i sikte till satelliterna) och bearbetas med hjälp av en GPS-mottagare.

Den standardprecisionskodade signalen (C/A-kod - BPSK-modulering (1)) som sänds i L1-bandet (och L2C-signalen (BPSK-modulering) i L2-bandet som börjar med IIR-M-enheter) distribueras utan användningsbegränsningar. Ursprungligen använd på L1, artificiell signalförgrovning (selektivt åtkomstläge - SA) har varit inaktiverat sedan maj 2000. Sedan 2007 har USA äntligen övergett tekniken med artificiell förgrovning. Det är planerat att introducera en ny L1C-signal (BOC(1,1)-modulering) i L1-bandet med lanseringen av Block III-enheter. Den kommer att ha bakåtkompatibilitet, förbättrad vägföljningskapacitet och är mer kompatibel med Galileo L1-signaler.

För militära användare finns dessutom signaler i L1 / L2-banden, modulerade med en brustålig kryptoresistent P (Y)-kod (BPSK (10)-modulering). Från och med IIR-M-enheter togs en ny M-kod i drift (modulation BOC (15,10) används). Användningen av M-koden gör det möjligt att säkerställa systemets funktion inom ramen för Navwar-konceptet (navigationskrig). M-koden sänds på de befintliga frekvenserna L1 och L2. Denna signal har ökat brusimmuniteten, och det är tillräckligt för att bestämma de exakta koordinaterna (i fallet med P-koden var det också nödvändigt att erhålla C / A-koden). En annan egenskap hos M-koden kommer att vara möjligheten att överföra den för ett specifikt område med en diameter på flera hundra kilometer, där signalstyrkan blir 20 decibel högre. Den konventionella M-signalen är redan tillgänglig på IIR-M-satelliter, medan den smala strålen endast kommer att vara tillgänglig på GPS-III-satelliter.

I och med lanseringen av IIF-satelliten introducerades en ny frekvens L5 (1176,45 MHz). Denna signal kallas också säkerhet för liv (skydd av människoliv). L5-signalen är 3 dB starkare än den civila signalen och har en bandbredd som är 10 gånger bredare. Signalen kan användas i kritiska situationer förknippade med ett hot mot människoliv. Hela signalen kommer att användas efter 2014.

Signaler moduleras med två typer av pseudo-slumpmässiga sekvenser (PRN): C/A-kod och P-kod. C/A (Clear Access) - offentlig kod - är ett PRN med en repetitionsperiod på 1023 cykler och en pulsrepetitionshastighet på 1023 MHz. Det är med denna kod som alla civila GPS-mottagare fungerar. P (skyddad/precis)-kod används i system stängda för allmänt bruk, dess upprepningsperiod är 2*1014 cykler. P-kodsmodulerade signaler sänds på två frekvenser: L1 = 1575,42 MHz och L2 = 1227,6 MHz. C/A-koden sänds endast på L1-frekvensen. Bäraren, förutom PRN-koder, moduleras också av ett navigeringsmeddelande.

24 satelliter ger 100 % systemdrift var som helst i världen, men de kan inte alltid ge tillförlitlig mottagning och bra positionsberäkning. Därför, för att öka positioneringsnoggrannheten och reserven i händelse av fel, bibehålls det totala antalet satelliter i omloppsbana i Mer(31 enheter i mars 2010).

Markkontrollstationer i rymdsegmentet

Huvudartikel: marksegment av satellitnavigeringssystem

Orbitalkonstellationen övervakas från huvudkontrollstationen vid Schriever Air Force Base, Colorado, USA och med hjälp av 10 spårningsstationer, varav tre stationer kan skicka korrigeringsdata till satelliterna i form av radiosignaler med en frekvens på 2000-4000 MHz. satelliter senaste generationen distribuera mottagen data bland andra satelliter.

GPS-applikation

GPS-signalmottagare

Trots att GPS-projektet ursprungligen var inriktat på militära ändamål, används GPS idag flitigt för civila ändamål. GPS-mottagare säljs i många elektronikbutiker och är inbyggda i mobiltelefoner, smartphones, handdatorer och ombordare. Konsumenter erbjuds också olika enheter Och mjukvaruprodukter, så att du kan se din plats på elektronisk karta; ha förmågan att lägga rutter med hänsyn till vägskyltar, tillåtna svängar och till och med trafikstockningar; sök på kartan efter specifika hus och gator, sevärdheter, kaféer, sjukhus, bensinstationer och annan infrastruktur.

Det har funnits förslag om att integrera Iridium- och GPS-system.

Noggrannhet

Komponenterna som påverkar felet för en enskild satellit i en pseudoavståndsmätning anges nedan:

Det totala felet är inte lika med summan av komponenterna.

Den typiska noggrannheten för moderna GPS-mottagare i horisontalplanet är cirka 6-8 meter med god satellitsikt och användning av korrigeringsalgoritmer. På USA:s, Kanadas, Japans, Kinas, Europeiska unionens och Indiens territorium finns stationer WAAS, EGNOS, MSAS, etc., som sänder korrigeringar för differentialläget, vilket minskar felet till 1-2 meter på territoriet av dessa länder. Vid användning av mer komplexa differentiallägen kan noggrannheten för bestämning av koordinaterna ökas till 10 cm. Noggrannheten för alla SNS beror starkt på rymdens öppenhet, på höjden på satelliterna som används ovanför horisonten.

Inom en snar framtid kommer alla enheter av den nuvarande GPS-standarden att ersättas av en nyare version av GPS IIF, som har en rad fördelar, bland annat är de mer motståndskraftiga mot störningar.

Men huvudsaken är att GPS IIF ger en mycket högre noggrannhet vid bestämning av koordinaterna. Om de nuvarande satelliterna ger en noggrannhet på 6 meter, kommer de nya satelliterna att kunna bestämma positionen, som förväntat, med en noggrannhet på minst 60-90 cm. Om sådan noggrannhet inte bara är för militär utan också för civila applikationer, så är detta goda nyheter för ägare av GPS-navigatorer.

Från och med oktober 2011, de två första satelliterna från ny version S: GPS IIF SV-1 lanserades 2010 och GPS IIF-2 lanserades den 16 juli 2011.

Totalt innebar det initiala kontraktet uppskjutning av 33 nya generationens GPS-satelliter, men då pga tekniska problem starten av uppskjutningen sköts upp från 2006 till 2010, och antalet satelliter reducerades från 33 till 12. Samtliga kommer att sättas i omloppsbana inom en snar framtid.

Den förbättrade noggrannheten hos den nya generationen GPS-satelliter möjliggörs genom användningen av mer exakta atomklockor. Eftersom satelliter rör sig i cirka 14 000 km/h (3,874 km/s) (första flykthastighet vid 20 200 km), är det avgörande för triangulering att förbättra tidsnoggrannheten även i den sjätte siffran.

Brister

En vanlig nackdel med att använda vilket radionavigeringssystem som helst är att under vissa förhållanden kan det hända att signalen inte når mottagaren, eller anländer med betydande förvrängning eller fördröjning. Till exempel är det nästan omöjligt att bestämma din exakta plats i djupet av en lägenhet inuti en armerad betongbyggnad, i en källare eller i en tunnel, även med professionella geodetiska mottagare. Eftersom driftfrekvensen för GPS ligger inom decimeterns radiovågsintervall, kan nivån på signalmottagningen från satelliter allvarligt försämras under tätt löv av träd eller på grund av mycket tunga moln. Den normala mottagningen av GPS-signaler kan påverkas av störningar från många markbundna radiokällor, såväl som (i sällsynta fall) från magnetiska stormar, eller avsiktligt skapad av "störningar" ( den här vägen kampen mot satellitbillarm används ofta av biltjuvar).

GPS-banornas låga lutning (cirka 55) försämrar allvarligt noggrannheten i de cirkumpolära områdena på jorden, eftersom GPS-satelliter inte reser sig särskilt högt över horisonten.

En väsentlig egenskap hos GPS är det fullständiga beroendet av villkoren för att ta emot en signal från det amerikanska försvarsdepartementet.

Nu [ När?] Det amerikanska försvarsdepartementet har beslutat att påbörja en komplett uppgradering av GPS-systemet. Det var planerat för länge sedan, men det var först nu som projektet kunde startas. Under uppgraderingen kommer gamla satelliter att ersättas med nya designade och tillverkade av Lockheed Martin och Boeing. Det hävdas att de kommer att kunna ge positioneringsnoggrannhet med ett fel på 0,5 meter.

Genomförandet av detta program kommer att ta några [ som?] tid. Det amerikanska försvarsdepartementet hävdar att det kommer att vara möjligt att helt slutföra uppgraderingen av systemet först efter 10 år. Antalet satelliter kommer inte att ändras, de kommer fortfarande att vara 30: 24 arbetar och 6 standby.

Kronologi

se även

• Transit (första satellitnavigeringssystemet, 1960-1996)
• Galileo (europeiskt navigationssystem)
• GLONASS (ryska navigationssystem)

Anteckningar

Litteratur

• Aleksandrov I. Rymdradionavigeringssystem NAVSTAR (ryska) // Utländsk militär granskning. - M ., 1995. - Nr 5. - S. 52-63. - ISSN 0134-921X.
• Kozlovsky E. Konsten att positionera // Runt världen. - M ., 2006. - Nr 12 (2795). - S. 204-280.
• Shebshaevich V.S., Dmitriev P.P., Ivantsev N.V. et al. Nätverk satellitnavigeringssystem / ed. V. S. Shebshaevich. - 2:a uppl., reviderad. och ytterligare - M .: Radio och kommunikation, 1993. - 408 sid. - ISBN 5-256-00174-4

Länkar

• Officiell webbplats för den amerikanska regeringen och GPS-systemet med status för en satellitkonstellation (eng.)

• Globala satellitnavigeringssystem (GNSS). Hur det fungerar? , gps-club.ru

• Galileo och GPS
• Gemensamt uttalande om GLONASS och GPS komplementaritet och kompatibilitet ( (inte tillgänglig länk), kopia)

27 maj 2008 Bogomazov Alexey 1

Global Positioning System, eller GPS för kort, är världens enda kompletta satellitnavigeringssystem. Mer än 25 specialiserade satelliter skickar ständigt ut korrekta (först av allt i tid) radiosignaler som fångas upp av GPS-mottagare runt om i världen. Denna sändning gör det möjligt för mottagare (mottagare) att exakt bestämma sin plats (longitud, latitud, position över havet) i alla väder, när som helst på dygnet, var som helst i världen.

TILL Nuvarande stund GPS har redan blivit ett viktigt system, det är en integrerad del av modern navigering på land, till sjöss, i luften, dessutom är det ett viktigt verktyg för att sammanställa kartor, samt observera förändringar i landskapet på jordens yta. Detta system ger ett visst bidrag till sådana till synes tredjepartsindustrier som telekommunikation och olika typer av vetenskaplig forskning (till exempel studiet av jordbävningars natur).

GPS-system utvecklades av det amerikanska försvarsdepartementet, kontrollerat av honom. Trots att underhållet av detta system kostar ca $400 000 000 per år (om man räknar med satelliternas åldrande), är enbart dödliga fria att använda det för sina blygsamma behov.

I slutet av 2005 lades ytterligare en nästa generations satellit till de redan uppskjutna satelliterna. Denna satellit hade ett nummer ytterligare egenskaper, varav en är stöd för en andra civil GPS-signal, som kallas L2C och är utformad för att förbättra noggrannheten och tillförlitligheten hos systemet som helhet. Under de kommande åren planeras fler och fler moderniserade satelliter att skjutas upp, i framtiden bör de lägga till en tredje och fjärde signal, och dessutom ett gäng nya funktioner som kommer att användas exklusivt av militären (som skulle tvivla på det) ).

I augusti 2000 blev The Wide-Area Augmentation System (WAAS) allmänt tillgängligt, och om mänskligt sett ett panoramavysystem som gjorde det möjligt att bestämma platsen för en bärbar dator. GPS-mottagare med en noggrannhet på två meter. Två meter är naturligtvis inte dåligt, men du kan uppnå en noggrannhet på en centimeter om du använder Differential GPS (DGPS).

Användningssfärer för GPS

Förmodligen har många hört talas om GPS många använder det dagligen. Men för de allra flesta människor är detta bara en teknik som gör att de kan bestämma sin plats på jordens yta. Faktum är att detta är lite annorlunda, den här tekniken används inom en mängd olika områden av mänsklig aktivitet.

Det måste sägas att utan korrekt tidssynkronisering kommer nivån av fel i överföringen av information omedelbart att öka, och i vissa fall kommer överföringen att bli omöjlig. Detta beror på nyanserna i genomförandet av utrustningen. Till exempel med en viss implementering av överföring i ordinarie lokala nätverk, nätverkskort bör synkroniseras nästan efter överföringen av varje byte. Detta är naturligtvis ett helt avlägset exempel, men tänk vilken nivå av synkronisering som bör vara i mycket mer seriösa industriella och vetenskapliga installationer.

Atomklockorna på satelliterna räknar ner" GPS-tid". Denna tid mäts i dagar, timmar, minuter, sekunder och så vidare. I allmänhet är allt detsamma som i jordtiden, vilket är baserat på jordens rotation. Den största skillnaden är att GPS-tiden är absolut oberoende av jordens rotation. En GPS-dag är 86400 sekunder i SI (förresten, SI, det här är inte ett mätsystem, det är det internationella systemet , verkar vara en bagatell, men inte alla vet), vilket är den internationella atomtiden (TAI) standarden (International Atomic Time).

I 1980 GPS-tid har likställts med Coordinated Universal Time (UTC). Således började GPS-klockan ticka den 6 januari 1980 klockan 00:00:00 UTC (00:00:19 TAI), och skillnaden på 19 sekunder kom upp på grund av obskyra "skottsekunder". Men vi går redan in i djungeln av speciella discipliner, så om någon är intresserad, varsågod, lär dig samtidigt relativitetsteorin, den finns här vid varje steg.

• Geofysik och geologi . Högprecisionsmätningar av spänningen i olika skikt av jorden kan göras med hjälp av GPS. Först, låt oss ta itu med spänningen, det har ingenting att göra med batterier, här är det snarare deformation och förskjutning av stenar under påverkan av några krafter. För att mäta detta värde räcker det att ta 2 GPS-mottagare, varav en måste vara stationär (så långt det är möjligt), då är det lätt att bestämma förskjutningen för den andra mottagaren i förhållande till den första, vilket kommer att vara det önskade värdet . Denna teknik hittar tillämpningar vid observation av vulkaner och låter dig i förväg förutsäga orsaken och formen av framtida förändringar i det omgivande landskapet.

Historien om GPS-utveckling

Utveckling GPS delvis baserat på liknande marksystem radionavigering som t.ex LORAN(utvecklades i början av 1940-talet och användes under andra världskriget). En ytterligare drivkraft till utvecklingen av detta system var lanseringen av den första konstgjorda satelliten i Sovjetunionen 1957. Ett team av amerikanska vetenskapsmän ledda av Dr. Richard B. Kershner övervakade överföringen av radiosignaler från satelliten. De märkte ett intressant mönster. I enlighet med Dopplereffekten minskar frekvensen för radiosignalen som sänds av satelliten med ökande avstånd från satelliten (ju mer signalen färdas, desto lägre frekvens). Snart kom insikten att de, genom att känna till deras exakta position på jordklotet, såväl som frekvensen av de signaler som sänds av satelliten, kan bestämma platsen för satelliten i jordens omloppsbana med hög noggrannhet (i enlighet med beräkningarna av samma Doppler). Det är lätt att förstå att det omvända påståendet också är sant, eftersom du känner till satellitens plats och signalens frekvens kan du bestämma din position på jorden.

Första satellitnavigeringssystemet genomresa(används av den amerikanska flottan) testades framgångsrikt 1960. Detta system använde 5 satelliter och gjorde det möjligt att göra navigationskorrigeringar ungefär varje timme. 1967 utvecklade den amerikanska flottan en ny satellit, Timation, som gjorde det möjligt att placera ombord, och faktiskt sätta i omloppsbana, en exakt klocka (tekniken som GPS förlitar sig på). På 1970-talet blev Omega Navigation System det första radionavigeringssystemet som täckte hela världen. Detta system var baserat på att jämföra signalernas faser.

Första experimentella Block I GPS-satelliten lanserades i februari 1978. De första GPS-satelliterna gjordes av Rockwell International och är nu gjorda av Lockheed Martin. Efter händelserna 1983, när USSR:s luftförsvarssystem sköt ner ett passagerarflygplan KAL 007 i sitt luftrum (linern kom in i Sovjetunionens luftrum av misstag), och dödade alla som var ombord (totalt 269 personer), sa USA:s president Ronald Reagan att GPS kan bli tillgänglig för civila omedelbart efter att dess konstruktion var klar. 1985, ytterligare en 10 Block I satelliter. Den första moderna Block-II-satelliten lanserades 14 februari 1989. I december 1993 höjdes antalet satelliter till det antal som systemet redan kunde fungera med, och den 17 januari 1994 var alla 24 satelliterna i omloppsbana.

1996 insåg USA:s president Bill Clinton till fullo vikten av GPS inte bara för militära ändamål, utan också för civilt bruk. Efter det kommer ett direktiv som fastställer statusen för GPS som ett dubbelt system (både militärt och civilt). 1998 tillkännagav USA:s vicepresident Al Gore planer på att lägga till ytterligare två civila signaler till GPS för att förbättra systemets noggrannhet och tillförlitlighet och för att ge en högre nivå av flygsäkerhet.

Den senaste satellituppskjutningen gjordes i september 2005, medan lanseringsdatumet för den äldsta GPS-satelliten som för närvarande är i drift är februari 1989.

GPS-satelliter

GPS-systemet använder satelliter som är placerade på ett visst sätt, närmare bestämt på Mellanliggande cirkulär omloppsbana (ICO). Dessa är banor inneslutna mellan jordens bana (1400 km) och geosynkron bana (35790 km). Dessutom finns tre oanvända satelliter i konstant omloppsbana vid oförutsedda situationer och alla typer av funktionsfel och fel. Varje satellit cirklar runt jorden exakt två gånger om dagen på en höjd av 20 200 km. Banorna är placerade på ett sådant sätt att vid varje given tidpunkt är nästan vilken punkt som helst på jordens yta inom täckningen av fyra satelliter samtidigt. Det finns sex aktiva satelliter i vart och ett av de sex omloppsplanen. Varje satellits omloppsbana avviker med 55 grader från ekvatorns plan.

Satelliternas position övervakas av fem markstationer runt om i världen (Hawaii, Kwajalein, Ascension Island, Diego Garcia, Colorado Springs). Dessutom finns det en huvudstation (flygbas Falk i st. Colorado), som överför all information till satelliter genom sekundära spårningsstationer. Denna information innehåller vanligtvis en tidsjustering med en noggrannhet på en mikrosekund.

Varje satellit sänder regelbundet tid, i enlighet med dess atomklocka, och annan information i digital form till omvärlden. Vanligtvis sänder satelliter sin exakta position i omloppsbana och den ungefärliga positionen för alla andra aktiva GPS-satelliter. Det verkar, varför sända information om platsen för de återstående satelliterna, men markbaserade mottagare väljer den starkaste mottagna signalen och sedan, med hjälp av den mottagna informationen, försöker de fånga mindre starka signaler från andra satelliter.

GPS-mottagare

Huvudsyftet med en GPS-mottagare är att bestämma dess plats på jordens yta. Denna position bestäms unikt med hjälp av tre parametrar - geografisk latitud och longitud, samt position över havet. Dessutom måste mottagaren bestämma den exakta tiden, inte i betydelsen vad klockan är, utan i betydelsen exakt synkronisering med satelliten. Alla dessa parametrar bestäms av processen trilatering. I ett nötskal består trilateration i att hitta ett objekts position med hjälp av minst fyra punkter med kända koordinater och kända avstånd från varje punkt till objektet. Generellt sett hittar de inte avstånd, men pseudo-intervall (pseudointervall), vilket är den första approximationen av avståndet.

Så satelliterna skickar ut en signal som krypterar deras egna koordinater och tiden då signalen skickades. Efter att ha tagit emot signalen avkodar mottagaren den, beräknar omloppsbanan för var och en av satelliterna och hittar sedan avståndet till dessa satelliter. Beräkningen av avståndet görs med hänsyn till fördröjningen mellan tidpunkten när signalen skickades och när den togs emot. Genom att känna till tiden för vilken signalen kom, är det lätt att hitta avståndet genom att multiplicera det med signalens hastighet.

Processen att exakt bestämma förseningen är kanske den mest tidskrävande. Varje satellit skickar med jämna mellanrum 1023 bitar pseudo godtycklig sekvens ( pseudoslumpmässig sekvens), är en sekvens som bara har några egenskaper hos en godtycklig. Varje satellit har sin egen sekvens, vilket gör det möjligt för dem att dela samma radiofrekvenser med koddelning parallell åtkomst ( koddelning multipel åtkomst). Mottagaren genererar sekvenserna som var och en av satelliterna skickar och jämför med de mottagna, så att mottagaren lätt kan känna igen var och en av satelliterna.

Låt oss återgå till frågan om trilatering. Mottagaren har redan bestämt 4 satellitpositioner och 4 avstånd till dem. Föreställ dig nu 4 sfärer centrerade på var satelliterna är och med radier lika med avstånden till satelliterna. Generellt sett, baserat på skolans stereometri, är 3 alternativ möjliga: 2 skärningspunkter, en skärningspunkt och inga skärningspunkter. Av uppenbara skäl är skärningspunkten mottagarens plats. Två punkter är möjliga om alla satelliter är i samma plan, vilket inte alltid är möjligt (3 satelliter ligger alltid i samma plan). Detta alternativ är i princip också acceptabelt, eftersom en punkt ligger någonstans på jorden och den andra är symmetrisk med avseende på planet där satelliterna ligger, eller snarare någonstans i rymden. Att välja rätt är ganska enkelt. Om det bara finns en skärningspunkt är det den önskade.

När man arbetar med riktiga mottagare är allting något mer komplicerat, på grund av flera ganska specifika anledningar. Kostnaden för en GPS-mottagare börjar från $90 , och kostnaden för atomklockor är ungefär lika med kostnaden för flera dussin produkter från den tyska bilindustrin, och 50 Mercedes är klart dyrare än 50 dollar. Avståndet är alltså inte så lätt att beräkna. Som tur är är en vanlig klocka tillräckligt exakt, vilket lyckligtvis kan ge en ganska exakt jämförelse för tiden för signalen. Som ett resultat är det ett fel vid bestämning av den geografiska positionen, lyckligtvis liten (sfärerna skär varandra vid ungefär en punkt).

Lite högre upp när jag pratade om att beräkna avstånd så missade jag inte signalhastigheten för ingenting, detta är ett av de största problemen med GPS. Om du löste skolproblem i fysik, så anses denna hastighet vara lika med ljusets hastighet i vakuum, vilket generellt sett inte är sant, ljuset rör sig långsammare i luften, en annan sak är att förhållandet mellan dessa hastigheter är lika med en och den första siffran efter noll är någonstans tillräckligt långt. Men vid beräkning av den exakta positionen ger dessa siffror ett betydande bidrag. Det värsta är att hastigheten på signalen i jonosfären (problemet är främst här) förändras nästan oförutsägbart, och ju tjockare lager som signalen måste passera desto större kan felet bli. Om satelliten svävar direkt ovanför mottagaren är felet minimalt. Om inte, så ökar felet med vinkeln för satellitens avvikelse från horisonten. För att korrigera detta fel bestäms först den ungefärliga positionen för mottagaren, och sedan byggs en matematisk modell och, baserat på den, elimineras felet.

Förändringen i hastigheten för en radiosignal i jonosfären beror på dess frekvens, så den andra frekvensen L2(mer om det nedan) för att åtgärda detta fel. Vissa militära och dyra civila (används vanligtvis för övervakning) mottagare kan jämföra frekvenser L1 Och L2, beräkna signalfördröjningen i atmosfären och gör finjusteringar.

GPS-signaler utsätts för spridning och reflektion från omgivande ytor - byggnader, terräng, tät jord, etc. Detta är orsaken till ett annat fel. Många mottagningstekniker är utformade för att minska detta fel (särskilt Smal korrelatoravstånd- en ganska specifik fråga, som jag förstår det, de jämför den resulterande funktionen med vad som borde vara med ganska stränga villkor). Om signalen försvann och reste någonstans under lång tid, kan mottagaren själv känna igen detta och ignorera en sådan signal. Om signalen bara reflekteras till exempel från jordytan är det mycket svårare att filtrera den (speciella antenner används). Detta beror på det faktum att sådana fel knappast märks i jämförelse med huvudsignalen och är mycket lika förvrängningar som orsakas av vanliga rörelser av luftmassor.

Många GPS-mottagare kan överföra information till en PC eller andra enheter som använder NMEA0183 protokoll. NMEA2000- ett nyare men mindre vanligt protokoll.

GPS-frekvenser

Så låt oss titta på flera frekvenser som finns i spektrumet av elektromagnetiska vågor (radiovågor) av GPS: (Varför flera? Systemet är halvt militärt, ingen kommer att berätta hela sanningen för dig).

• L1 (1575,42 MHz): första bärvågsfrekvens;
• L2 (1227,60 MHz): andra bärvågsfrekvens; Satelliten sänder ut sinusformade signaler vid dessa två frekvenser. Som nämnts ovan, före sändning, moduleras dessa signaler med en pseudoslumpmässig sekvens (fasnyckel). L1-frekvensen moduleras av två typer av koder: C/A-kod (fri åtkomstkod) och P(Y)-kod (auktoriserad åtkomstkod), och L2-frekvensen moduleras endast av P-kod. Glöm inte informationen om satelliternas position och tid, som också finns i denna signal. Grovförvärv C/A (fri åtkomstkod) har en pulsfrekvens på 1023 MHz och en repetitionsperiod på 0,001 sek. Denna kod avkodas utan problem, men att bestämma den exakta positionen med dess hjälp är nästan omöjligt. Skyddad kod P(Y) (auktoriserad åtkomstkod) har en pulsrepetitionsfrekvens på 10,23 MHz och en repetitionsperiod på 7 dagar. Denna kod ändras en gång i veckan, och endast auktoriserade personer från det amerikanska försvarsdepartementet kan göra ändringar i den. Mer exakt, de kunde, amerikanerna gjorde ett misstag och information läckte från dem. Var tvungen att acceptera ytterligare åtgärder säkerhet: Anti-spoofing-läget kan startas när som helst. I detta fall kodas P-signalen och omvandlas till en Y-signal, som endast kan avkodas av hårdvara. Selektiv tillgänglighet SA (SA, Selective Access Mode) är speciellt utformat för att skydda mot obehöriga användare. När detta läge är i drift skickas inte information om satelliternas position och tid i informationsmeddelandet, utan något korrigerad information. Små korrigeringar görs (10 meter horisontellt och 30 meter vertikalt, ungefär så klart) och noggrannheten i bestämningen reduceras omedelbart avsevärt.
• L3 (1381,05 MHz): detta är satelliternas bidrag till USA:s försvarsprogram, denna frekvens är utformad för att upptäcka missiluppskjutningar, kärnvapenexplosioner och andra händelser åtföljda av utsläpp ett stort antal energi;
• L4 (1841,40 MHz): signal för ytterligare felkorrigering när signalen passerar genom jonosfären;
• L5 (1176,45 MHz): frekvens för signalering av SOC (safety-of-life (SoL)). Nödsignaler kommer att skickas på denna frekvens, med minimala eller inga mottagningsfel förutspådda. Den första Block-IIF-satelliten som kan sända på denna frekvens kommer att skjutas upp 2008.

Möjligheter att förbättra GPS

• Differential GPS (DGPS) - differentiellGPS. Låter dig öka bestämningens noggrannhet från 4-20 meter till 1-3 meter. Principen är att skapa ett markbundet nätverk av stationära GPS-mottagare som beräknar sina koordinater baserat på avläsningar av satelliter (som alltid har ett fel) och jämför dem med deras koordinater, som är kända i förväg. Korrigeringen sänds i det lokala utrymmet som en FM-signal. Denna metod gör att billiga civila mottagare kan öka sin noggrannhet avsevärt.
• Wide Area Augmentation System (WAAS) - panoramautsiktssystem. Markstationer byggs, som upptar ungefär samma som i det föregående fallet, bara de sänder det inte i luften, utan sänder det till ytterligare satelliter i geosynkron bana, och de i sin tur sänder det i luften, i dessutom rapporterar de information om signalfördröjningen i jonosfären osv. Detta system kan avsevärt hjälpa till inom flygteknik under förhållanden med dålig sikt och noll. Tyvärr är det bara ett fåtal WAAS-satelliter som för närvarande skjuts upp. För närvarande fungerar detta system endast i områden på USA:s västra och östra kuster. Men analoger till detta system skapas i Europa av EGNOS, Euro Geostationary Navigation Overlay Service, och Japan (MSAS, Multi-Functional Satellite Augmentation System). Dessa system är nästan identiska med WAAS.
• A Local Area Augmentation System (LAAS) . Korrigeringen liknar det tidigare fallet, men sändningen är inte från en satellit, utan från en markstation nära vilken ökad noggrannhet krävs (till exempel en flygplats).

Block 2F är den femte generationen av GPS-satelliter med förbättrad synkronisering, anti-jamming militär signal och starkare civil signal än satelliter. tidigare generationer. GPS-2F är designad för 12-15 års drift i omloppsbana och är utrustad med en omprogrammerbar processor som stöder nedladdning av mjukvara.

Varje satellit i GPS-2F-serien (eller GPS IIF) ger följande fördelar:

• förbättrad navigeringsnoggrannhet tack vare förbättrad atomurteknologi;
• en ny civil signal L5 är tillgänglig (L5-signal är den tredje civila signalen som sänds i radiobandet exklusivt för flygsäkerhetstjänster);
• ökad kraft- och brusimmunitet för den militära signalen för robotar i aggressiva miljöer;
• satellitens livslängd har förlängts till 12 år, vilket kommer att minska driftskostnaderna för systemet som helhet;
• med hjälp av en omprogrammerbar processor som kan ta emot mjukvaruuppdateringar för att förbättra systemets prestanda.

Satellitegenskaper:

• Drifttiden är 12-15 år;
• Vikt - 1630 kg;
• Bana - 20200 km × 20200 km, 55,0°.

GPS

GPS ( Global Positioning System- globalt positioneringssystem, avläst av GPS) - ett satellitnavigeringssystem som mäter avstånd, tid och bestämmer plats i världskoordinatsystemet WGS 84. Gör att du kan var som helst (exklusive polarområdena), i nästan alla väder, såväl som i jordnära rymdutrymme för att bestämma objektens plats och hastighet. Systemet utvecklades, implementerades och drevs av det amerikanska försvarsdepartementet, medan det för närvarande är tillgängligt för civilt bruk – du behöver bara en navigator eller annan enhet (till exempel en smartphone) med en GPS-mottagare.

Grundprincipen för att använda systemet är att bestämma platsen genom att mäta tidpunkterna för mottagning av en synkroniserad signal från navigationssatelliter av konsumentens antenn. För att bestämma de tredimensionella GPS-WAN-koordinaterna behöver mottagaren ha fyra ekvationer: "avståndet är lika med produkten av ljusets hastighet och skillnaden mellan ögonblicken för signalmottagning av konsumenten och ögonblicket för dess synkrona emission från satelliter”: . Här: - platsen för den -e satelliten, - ögonblicket för signalmottagning från den -e satelliten enligt konsumentens klocka, - den okända tiden för synkron signalutsändning från alla satelliter enligt konsumentens klocka, - ljusets hastighet , - konsumentens okända tredimensionella position.

Berättelse

Idén om att skapa satellitnavigering föddes på 1950-talet. I det ögonblick då den första konstgjorda jordsatelliten lanserades i Sovjetunionen, observerade amerikanska forskare under ledning av Richard Kershner signalen som kom från den sovjetiska satelliten och fann att på grund av Dopplereffekten ökar frekvensen av den mottagna signalen när satelliten närmar sig och minskar när den rör sig bort. Kärnan i upptäckten var att om du vet exakt dina koordinater på jorden, blir det möjligt att mäta satellitens position och hastighet, och vice versa, genom att veta den exakta positionen för satelliten, kan du bestämma din egen hastighet och koordinater .

1973 initierades DNSS-programmet, som senare döptes om till Navstar-GPS och sedan GPS. Den första testsatelliten sattes i omloppsbana den 14 juli 1974. Uppskjutningen av den sovjetiska positionssystemsatelliten 1982 gav den amerikanska kongressen anledning att avsätta pengar och påskynda arbetet. Det var ett kallt krig, kapprustningen tog fart. 1983 påbörjades ett intensivt arbete med att skapa GPS, och den sista av alla 24 satelliter som behövdes för att helt täcka jordens yta lanserades i omloppsbana 1993, och GPS togs i bruk. Det blev möjligt att använda GPS för att exakt rikta missiler till stationära och sedan rörliga föremål i luften och på marken.

Inledningsvis utvecklades det globala positioneringssystemet som ett rent militärt projekt. Men efter att en Boeing 747 från Korean Airlines invaderade sovjetiskt luftrum med 269 passagerare och besättningsmedlemmar sköts ner av ett sovjetiskt jaktplan nära Sakhalin Island 1983, eftersom besättningens desorientering i rymden angavs som orsaken, gjorde USA:s president Ronald Reagan för att undvika liknande tragedier i framtiden, godkände användningen av navigationssystemet för civila ändamål över hela världen. För att undvika militär användning av systemet reducerades noggrannheten med en speciell algoritm.

Sedan dök det upp information om att vissa företag hade dechiffrerat algoritmen för att minska noggrannheten vid L1-frekvensen och framgångsrikt kompenserat för denna komponent av felet. År 2000 avskaffade USA:s president Bill Clinton denna förgrovning av noggrannheten genom sitt dekret.

Tekniskt genomförande

GPS består av tre huvudsegment: utrymme, kontroll och användare. GPS-satelliter sänder en signal från rymden, och alla GPS-mottagare använder denna signal för att beräkna sin position i rymden i tre koordinater i realtid.

Rymdsegmentet består av 32 satelliter som kretsar runt jorden.

Från och med den 1 juni 2014 används endast 29 för sitt avsedda ändamål. I det skede då 1 rymdfarkost sattes in i systemet togs 2 rymdfarkoster ut för underhåll.

Kontrollsegmentet är huvudkontrollstationen och flera ytterligare stationer, liksom markantenner och övervakningsstationer, delas en del av de nämnda resurserna med andra projekt.

Användarsegmentet representeras av GPS-mottagare som drivs av statliga institutioner och hundratals miljoner enheter som ägs av vanliga användare.

rymdsatelliter

En ouppskjuten satellit som visas på ett museum. Utsikt från sidan av antennerna.

Satellitbanor

Banor för GPS-satelliter. Ett exempel på synligheten av satelliter från en av punkterna på jordens yta. Visible sat är antalet satelliter som är synliga ovanför observatörens horisont under idealiska förhållanden (klart fält).

Satellitkonstellationen i NAVSTAR-systemet kretsar runt jorden i cirkulära banor med samma höjd och rotationsperiod för alla satelliter. En cirkulär bana med en höjd av cirka 20 200 km är en daglig mångfaldsbana med en omloppstid på 11 timmar 58 minuter; således gör satelliten två omlopp runt jorden på en siderisk dag (23 timmar 56 minuter). Orbitallutningen (55°) är också gemensam för alla satelliter i systemet. Den enda skillnaden i satelliternas banor är longituden för den stigande noden, eller den punkt där planet för satellitens omloppsbana skär ekvatorn: dessa punkter är ungefär 60 grader från varandra. Således, trots samma (förutom longituden för den stigande noden) omloppsparametrar, kretsar satelliterna runt jorden i sex olika plan, 4 satelliter i varje.

RF-egenskaper

Satelliterna utstrålar öppna för användningssignaler i intervallen: L1=1575,42 MHz och L2=1227,60 MHz (med början från Block IIR-M), och IIF-modeller kommer också att utstråla vid L5=1176,45 MHz. Navigationsinformation kan tas emot av en antenn (vanligtvis i sikte till satelliterna) och bearbetas med hjälp av en GPS-mottagare.

Standardprecisionskodsignalen (C/A-kod - BPSK(1)-modulering) som sänds i L1-bandet (och L2C-signalen (BPSK-modulering) i L2-bandet som börjar med IIR-M-enheter) distribueras utan användningsbegränsningar. Ursprungligen använd på L1, artificiell signalförgrovning (selektivt åtkomstläge - S/A) har varit inaktiverat sedan maj 2000. Sedan 2007 har USA äntligen övergett tekniken med artificiell förgrovning. Det är planerat att introducera en ny L1C-signal (BOC (1,1) modulering) i L1-bandet med lanseringen av Block III-enheter. Den kommer att ha bakåtkompatibilitet, förbättrad vägföljningskapacitet och är mer kompatibel med Galileo L1-signaler.

För militära användare är signaler i L1 / L2-banden dessutom tillgängliga, modulerade av en brustålig kryptoresistent P (Y)-kod (BPSK (10)-modulering). Från och med IIR-M-enheter togs en ny M-kod i drift (modulation BOC (15,10) används). Användningen av M-koden gör det möjligt att säkerställa systemets funktion inom ramen för Navwar-konceptet (navigationskrig). M-koden sänds på de befintliga frekvenserna L1 och L2. Denna signal har ökat brusimmuniteten, och det är tillräckligt för att bestämma de exakta koordinaterna (i fallet med P-koden var det också nödvändigt att erhålla C / A-koden). En annan egenskap hos M-koden kommer att vara möjligheten att överföra den för ett specifikt område med en diameter på flera hundra kilometer, där signalstyrkan blir 20 decibel högre. Den konventionella M-signalen är redan tillgänglig på IIR-M-satelliter, medan den smala strålen endast kommer att vara tillgänglig på GPS-III-satelliter.

I och med lanseringen av IIF-blocksatelliten introducerades en ny frekvens L5 (1176,45 MHz). Denna signal kallas också livets säkerhet(skydd av människoliv). L5-signalen är 3 dB starkare än den civila signalen och har en bandbredd som är 10 gånger bredare. Signalen kan användas i kritiska situationer förknippade med ett hot mot människoliv. Hela signalen kommer att användas efter 2014.

Signaler moduleras med två typer av pseudo-slumpmässiga sekvenser (PRN): C/A-kod och P-kod. C/A (Clear Access) - offentlig kod - är ett PRN med en repetitionsperiod på 1023 cykler och en pulsrepetitionsfrekvens på 1,023 MHz. Det är med denna kod som alla civila GPS-mottagare fungerar. P (skyddad/precis)-kod används i system stängda för allmänt bruk, upprepningsperioden är 2·10 14 cykler. P-kodsmodulerade signaler sänds på två frekvenser: L1 = 1575,42 MHz och L2 = 1227,6 MHz. C/A-koden sänds endast på L1-frekvensen. Bäraren är, förutom PRN-koder, också modulerad med ett navigeringsmeddelande.

24 satelliter säkerställer att systemet är fullt funktionellt var som helst i världen, men kan inte alltid ge tillförlitlig mottagning och bra positionsberäkning. Därför, för att öka positioneringsnoggrannheten och reserven i händelse av fel, bibehålls det totala antalet satelliter i omloppsbana i ett större antal (31 satelliter i mars 2010).

Markkontrollstationer i rymdsegmentet

Orbitalkonstellationen övervakas från huvudkontrollstationen vid Schriever Air Force Base, Colorado, USA och med hjälp av 10 spårningsstationer, varav tre kan skicka korrigeringsdata till satelliterna i form av radiosignaler med en frekvens på 2000-4000 MHz. Den senaste generationen satelliter distribuerar mottagna data bland andra satelliter.

GPS-applikation

GPS-signalmottagare

Trots att GPS-projektet ursprungligen var inriktat på militära ändamål, används GPS idag flitigt för civila ändamål. GPS-mottagare säljs i många elektronikbutiker, de är inbyggda Mobiltelefoner, smartphones, handled Digital klocka, PDA och onboarders. Konsumenter erbjuds också olika enheter och mjukvaruprodukter som gör att de kan se sin plats på en elektronisk karta; ha förmågan att lägga rutter med hänsyn till vägskyltar, tillåtna svängar och till och med trafikstockningar; sök på kartan efter specifika hus och gator, sevärdheter, kaféer, sjukhus, bensinstationer och annan infrastruktur.

• Geodesi: med hjälp av GPS bestäms de exakta koordinaterna för punkter och gränserna för tomter.
• Kartografi: GPS används i civil och militär kartografi.
• Navigering: Med hjälp av GPS utförs både sjö- och vägnavigering.
• Satellitövervakning av transporter: med hjälp av GPS övervakas bilarnas position och hastighet, och deras rörelser kontrolleras.
• Mobiltelefoner: De första mobiltelefonerna med GPS dök upp på 90-talet. I vissa länder, som USA, används detta för att snabbt hitta en person som ringer 911. I Ryssland lanserades 2010 ett liknande projekt, Era-Glonass.
• Tektonik, plattektonik: GPS används för att observera plattans rörelser och svängningar.
• Utomhusaktiviteter: Det finns olika spel som använder GPS, såsom geocaching, etc.
• Geotaggning: information, som foton, "taggas" till koordinater med hjälp av inbyggda eller externa GPS-mottagare.

Det har funnits förslag om att integrera Iridium- och GPS-system.

Noggrannhet

Komponenterna som bidrar till felet hos en enskild satellit i en pseudoavståndsmätning ges nedan:

Det totala felet är inte lika med summan av komponenterna.

Korrelationskoefficienten för felen hos två intilliggande GPS-mottagare (vid drift i kodläge) är 0,15-0,4, beroende på signal-brusförhållandet. Ju högre signal-brusförhållande, desto större korrelation. När du skuggar några av satelliterna och återreflekterar signalen kan korrelationen sjunka till noll och till och med negativa värden. Felkorrelationskoefficienten beror också på den geometriska faktorn. Med 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.

Den typiska noggrannheten för moderna GPS-mottagare i horisontalplanet är cirka 6-8 meter med god satellitsikt och användning av korrigeringsalgoritmer. I USA, Kanada, Japan, Kina, EU och Indien finns det WAAS, EGNOS, MSAS etc. stationer som sänder differentiallägeskorrigeringar, vilket kan minska felet till 1-2 meter i dessa länder. Vid användning av mer komplexa differentiallägen kan noggrannheten för bestämning av koordinaterna ökas till 10 cm. Noggrannheten för alla SNS beror starkt på rymdens öppenhet, på höjden på satelliterna som används ovanför horisonten.

Inom en snar framtid kommer alla enheter av den nuvarande GPS-standarden att ersättas av en nyare version av GPS IIF, som har en rad fördelar, bland annat är de mer motståndskraftiga mot störningar.

Men huvudsaken är att GPS IIF ger en mycket högre noggrannhet vid bestämning av koordinaterna. Om de aktuella satelliterna ger ett fel på 6 meter, kommer de nya satelliterna att kunna bestämma positionen, som förväntat, med ett fel på högst 60-90 cm. Om sådan noggrannhet inte bara är för militär utan också för civila applikationer, så är detta goda nyheter för ägare av GPS-navigatorer.

Totalt innebar det initiala kontraktet uppskjutning av 33 nya generationens GPS-satelliter, men sedan, på grund av tekniska problem, sköts starten av uppskjutningen upp från 2006 till 2010, och antalet satelliter minskades från 33 till 12. September 2014, de första sju satelliterna från den nya versionen sattes i omloppsbana: GPS IIF SV-1 (uppsändes 28 maj 2010), GPS IIF-2 (uppsändes 16 juli 2011), GPS IIF-3 (uppsändes 4 oktober, 2012), GPS IIF-4 (lanserades 15 maj 2013), GPS IIF-5 (lanserades 21 februari 2014), GPS IIF-6 (lanserades 17 maj 2014), GPS IIF-7 (lanserades 2 augusti 2014) .

Den förbättrade noggrannheten hos nästa generations GPS-satelliter möjliggörs genom användningen av mer exakta atomklockor. Eftersom satelliter färdas i cirka 14 000 km/h (3,874 km/s) (första flykthastighet vid 20 200 km), är det avgörande att förbättra tidsnoggrannheten, även i det sjätte tecknet, för trilateration. Men ens en noggrannhet på 10 cm räcker inte för ett antal uppgifter inom geodesi, i synnerhet för att binda gränserna för intilliggande tomter till terrängen. Med ett fel på 10 cm kan arean på en tomt på 600 m² minska eller öka med 10 m².

Brister

En vanlig nackdel med att använda vilket radionavigeringssystem som helst är att under vissa förhållanden kan det hända att signalen inte når mottagaren, eller anländer med betydande förvrängning eller fördröjning. Till exempel är det nästan omöjligt att bestämma din exakta plats i djupet av en lägenhet inuti en armerad betongbyggnad, i en källare eller i en tunnel, även med professionella geodetiska mottagare. Eftersom driftfrekvensen för GPS ligger inom decimeterns radiovågsintervall, kan nivån på signalmottagningen från satelliter allvarligt försämras under tätt löv av träd eller på grund av mycket tunga moln. Normal mottagning av GPS-signaler kan skadas av störningar från många markbundna radiokällor, såväl som (i sällsynta fall) från magnetiska stormar, eller avsiktligt skapas av "störningar" (denna metod för att hantera satellitbillarm används ofta av biltjuvar ).

GPS-banornas låga lutning (cirka 55) försämrar allvarligt noggrannheten i de cirkumpolära områdena på jorden, eftersom GPS-satelliter inte reser sig särskilt högt över horisonten.

GPS implementeras och drivs av det amerikanska försvarsdepartementet och är därför helt beroende av den myndigheten för att andra användare ska få en korrekt GPS-signal.

Kronologi