GPS /Global Positioning System - спутниковая система навигации/ — комплексная электронно-техническая система, состоящая из совокупности наземного и космического оборудования, предназначенная для высокоточного позиционирования различных подвижных и статичных объектов на местности. Проект был реализован и принадлежит военному ведомству США, и первоначально он задумывался только для военных целей (другое название NAVSTAR - Navigation Satellite Time and Ranging).
Основными элементами данного комплекса являются :
Работающие в единой сети спутники, излучающие определенные сигналы
Наземная система управления движением орбитальных спутников
Приемное клиентское оборудование – GPS-навигаторы
В качестве дополнительного элемента можно рассматривать систему радиомаяков, работающих на повышение качества сигнала - дифференциальная GPS (DGPS)
Спутники
Спутниковая система состоит из 29 искусственных спутников земли, для целей позиционирования используется 24 спутника, остальные 5 - резервные. Все они находятся на шести разных круговых орбитах, расположенных под углом 60° друг к другу, таким образом, чтобы из любой точки земной поверхности были видны от четырех до двенадцати таких спутников. На каждой орбите находится по 4 спутника, высота орбит примерно равна 20200 км, а период обращения каждого спутника вокруг земли 12 часов. Каждый спутник размером около 5 м весит около 800 кг, имеет в своем составе высокоточные атомные часы, вычислительное устройство, передатчик мощностью 50 Вт, излучающий на частоте 1575.42 МГц.
Сигнал спутника содержит персональный код, данные о состоянии спутника и альманах. Персональный код служит для идентификации передающего спутника. Все они пронумерованы от 1 до 32 и этот номер показывается на экране GPS-приемника во время его работы. Большее количество номеров (чем спутников) облегчает обслуживание GPS-сети: новый спутник может быть запущен, проверен и введен в эксплуатацию еще до того, как старый выйдет из строя. Такому спутнику просто будет присвоен новый номер (от 1 до 32). Каждый спутник передает информацию о своем состоянии (рабочее или нерабочее), текущую дату и время. Данные альманаха говорят о том, где в течение дня должны находиться все GPS-спутники. Каждый из них передает альманах, содержащий параметры своей орбиты, а также всех других спутников системы.
Система управления
Система не полностью автономна, ее работоспособность контролируется станциями наблюдения с Земли. Территориально станции наблюдения находятся на Гавайях, атолле Кваджелейн, островах Вознесения, Диего-Гарсия и в Колорадо-Спрингс, вся информация записывается и передается на главную командную станцию, расположенную на военной базе Falcon в Колорадо откуда производится корректировка орбит и навигационной информации.
GPS-навигаторы
GPS-приемник на основании полученной со спутников информации определяет расстояние до каждого спутника, их взаимное расположение и вычисляет свои координаты по законам геометрии.
Если расстояние от одного спутника известно, и мы можем описать сферу заданного радиуса вокруг него, когда становится известным расстояние и до второго спутника, то определяемое местоположение будет расположено где-то в секторе, задаваемом пересечением двух сфер, а третий спутник определяет две точки на окружности, остаётся рассчитать какая из них, и есть искомое местоположение. Одна из точек всегда может быть отброшена, так как она имеет высокую скорость перемещения или находится под поверхностью Земли. Таким образом, зная расстояние до трёх спутников, можно вычислить координаты определяемой точки.
При этом, для определения 2-х координат (широта и долгота) достаточно получить сигналы с трёх спутников, а для определения высоты над уровнем моря - с четырёх.
Скорость распространения радиосигналов постоянна и равна скорости света, расстояние до спутников определяется по задержке времени приема сообщения GPS-приемником относительно времени отправки сообщения с борта спутника. Определив местоположение пользователя, приемник может вычислить такие величины как скорость, путевой угол, траекторию, пройденное расстояние, расстояние до конечного пункта, время восхода и захода солнца и многое другое.
Система GPS работает при любых погодных условиях, однако существуют факторы, снижающие точность определения координат:
Ионосферные и тропосферные задержки
По мере прохождения атмосферы сигнал замедляется. Система GPS использует встроенную модель, которая определяет среднюю величину задержки для частичной коррекции ошибки этого типа.
Отраженный сигнал
Это происходит, когда сигнал GPS отражается от объектов, таких как высокие здания или скалы и попадает в GPS-приемник. Увеличение времени прохождения отраженного сигнала приводит к возникновению ошибки.
Недостаточная точность часов приемника
Встроенные часы GPS-приемника уступают в точности атомным часам, находящимся на борту спутников. Это может быть причиной небольших ошибок в определении времени прохождения сигнала.
Малое число видимых спутников
Чем больше спутников "видит" GPS-приемник, тем выше точность. Здания, элементы рельефа, а иногда и густая листва могут препятствовать приему сигналов GPS, приводя к ошибкам в местоопределении или к его невозможности.
Намеренное уменьшение точности сигнала GPS
Программа избирательного доступа (Selective Availability, SA) Министерства обороны США предусматривала намеренное внесение ошибки в сигнал GPS. Целью этой программы было предотвращение возможного использования гражданских GPS-приемников в военных целях.
Плохая геометрия видимых спутников
Понятие «геометрия спутников» означает то, как они расположены относительно друг друга и GPS-приемника. Если, например, приемник получает информацию с четырех спутников и все четыре расположены в северном и западном направлениях, то спутниковая геометрия скорее плохая, иногда настолько, что приемник не может определить местоположение Потому что все расстояния, измеренные до спутников, будут лежать в одном глобальном направлении. Это означает, что триангуляция будет плохой и что область пересечения построенных прямых будет довольно большой (т.е. область вероятного положения будет занимать значительное пространство и точно указать координаты невозможно). В этом случае, даже если приемник выдает некоторые значения координат, их точность не будет достаточно хороша (возможно, 100 – 150 м). Если же эти четыре спутника будут находиться в разных направлениях, то точность значительно возрастет. В таком случае, даже если принять во внимание действие SA, точность может быть не хуже 30 м. Таким образом, идеальной является такая геометрия спутников, когда углы между направлениями на них большие. Плохой считают такую геометрию, когда спутники располагаются на одной линии или близко к ней.
DGPS
DGPS использует дополнительный, фиксированный в одной точке GPS-приемник для определения корекции спутниковых сигналов. В настоящее время в мире существует несколько бесплатных и платных служб такого рода. Так, например, Береговая охрана США и Инженерный корпус Армии США передают GPS-коррекции через морские радио-буи. Они работают в диапазоне 283.5 – 325.0 кГц и пользоваться ими можно бесплатно. Необходимо только будет приобрести DGPS-приемник. Этот приемник подключается к GPS-навигатору с помощью 3-х проводного кабеля, по которому поправка передается в обычном последовательном виде в формате, называемом RTCM SC-104. Платные DGPS-службы работают в УКВ-диапазоне или осуществляют вещание через спутники. В этих случаях также понадобится специальный DGPS-приемник для приема поправок и передачи их на GPS-навигатор. Цена зависит от требуемой точности.
К числу первых относятся WAAS (Wide Area Augmentation System) на американском континенте, европейская EGNOS и японская MSAS.
Альтернативные системы спутниковой навигации:
В настоящее время работают или готовятся к развёртыванию следующие системы спутниковой навигации:ГЛОНАСС
ГЛОНАСС
(ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система) - находится на этапе развёртывания спутниковой группировки. Принадлежит министерству обороны России.
Beidou
Развёртываемая в настоящее время Китаем подсистема GNSS, предназначенная для использования только в этой стране. Особенность — небольшое количество спутников, находящихся на геостационарной орбите.
Galileo
Европейская система, находящаяся на этапе создания спутниковой группировки. Ожидается, что «Галилео» войдёт в строй в 2008 г., когда на орбиту буду выведены все 30 запланированных спутников (27 операционных и 3 резервных). Космический сегмент будет дополнен наземной инфраструктурой, включающей в себя два центра управления и глобальную сеть передающих и принимающих станций. Согласно расчетам, «Галилео» позволит значительно повысить точность прямого определения местоположения пользователя, доведя ее до одного метра без использования специальных режимов и дополнительных подсистем. В отличие от американской GPS и русской ГЛОНАСС, система Галилео была создана исключительно для гражданского использования и номинально не контролируется ни государственными, ни военными учреждениями.
В последнее время специалисты все чаще говорят о возможности создания единой глобальной системы, которая объединит информацию со спутников всех трех навигационных систем - ГЛОНАСС, "Галилео" и GPS. "Роскосмос" в будущем даже намерен создавать единые станции приема сигналов со всех трех систем. В "Роскосмосе" подтверждают, что трехстороннее соглашение с НАСА и Европейским космическим агентством уже готовится.