КАК ЭТО ЧАСТО СЛУЧАЕТСЯ, основным двигателем прогресса и в этом направлении стали военные. Собственно, современная спутниковая навигация и получила свое распространение лишь благодаря министерству обороны США, давшему ход программе NAVSTAR (NAVigation Satellite providing Time And Range). В рамках этого проекта на околоземную орбиту (примерно 20,2 тыс. км) с 1978 г. было запущено множество спутников. Систему назвали GPS (Global Positioning System).
ЧТО ТАКОЕ GPS
GPS можно перевести как Глобальная Система Позиционирования. Как видно из названия, система предназначена для определения местоположения и координат различных, прежде всего движущихся, объектов. Кроме определения широты, долготы и высоты над уровнем моря, дополнительные возможности системы позволяют определять направление и скорость движения объекта. С помощью GPS можно определить также текущее время с точностью до 200 наносекунд. В настоящий момент группировка системы NAVSTAR состоит из 30 рабочих спутников (при необходимом минимуме в 24). Спутники равномерно распределены по орбите. Средний срок службы одного спутника составляет около 10 лет, поэтому периодически их приходится выводить из эксплуатации и заменять новыми. Каждую миллисекунду спутники передают на Землю особые сигналы. Сигналы передаются на двух УВЧ частотах: L1 = 1575,42 MHz и L2 = 1227,6 MHz. Объявленная недавно программа по модернизации системы предполагает введение в будущем новых частот и усиление мощности сигнала существующих. Важно то, что предполагается увеличить число частот для гражданского применения. Наличие исчерпывающей информации в самом сигнале позволяет обойтись довольно простым и малогабаритным приемником этих сигналов, что и позволяет делать современные навигационные устройства небольшими – карманными и даже наручными. На основании полученной информации GPS-приемник рассчитывает расстояние до каждого спутника и, зная их взаимное расположение, вычисляет свои координаты, руководствуясь обычными законами геометрии. Определение расстояния до спутника основано на постоянстве скорости распространения радиосигнала, которая равняется скорости света. Как было отмечено выше, в получаемом GPS-приемником информационном пакете приходит и точное время отправки этого сообщения. Время на GPS-приемнике и спутниках синхронизировано, что позволяет точно определить время прохождения радиосигнала. Зная время и скорость, определить расстояние не составляет никакого труда (расстояние равно произведению скорости сигнала на время его прохождения). Электроника GPS-приемника делает это мгновенно, указывая точные координаты на мониторе устройства.
НЮАНСЫ РАБОТЫ
Почему для определения точных координат 2 спутников недостаточно? Все дело во времени. Спутники оснащаются дорогостоящими, но чрезвычайно точными атомными часами. У GPS-приемников такого точного хронометра нет. Временные погрешности при использовании 2 спутников делают зону поиска слишком большой и размытой. В этом случае площадь вероятного нахождения GPS-приемника очерчивается двумя линиями, и временная неточность, к примеру, всего лишь в одну тысячную секунды приводит к погрешности в вычислении, исчисляемой несколькими сотнями метров. 3-й спутник позволяет описать вокруг объекта треугольник, геометрический центр которого и будет наиболее близкой точкой нахождения GPS-приемника. Таким образом, сигналы с 3 спутников позволяют определить широту и долготу, т. е. координаты в плоскости. 4 спутника определяют уже объемную зону в виде пирамиды, что тем же геометрическим способом позволяет определить еще и приблизительную высоту над уровнем моря. Сеть спутников системы GPS устроена таким образом, что в любой точке Земли в некий момент времени может наблюдаться одновременно от 5 до 12 спутников. Руководствуясь этими параметрами, современные GPS-приемники также имеют от 5 до 12 каналов, т. е. способны принимать одновременно все возможные сигналы. Чем больше спутников, тем точнее будут координаты GPS-приемника. Уже существуют GPS-приемники с большим числом каналов. Есть ряд факторов, способных внести помехи в работу GPS-системы. Ионосфера и тропосфера – природные генераторы помех. Строения, электронные помехи, порой даже плотная листва деревьев могут заблокировать сигнал, и координаты будут неточны или не будут определены вовсе. Неудачное расположение спутников (если они расположены скученно или, не дай бог, «в линию», точность определения координат будет значительно ухудшена). Погрешности, вызванные неточностью часов GPS-приемника. Орбитальные ошибки, или ошибки эфемериды, – погрешность в координатах спутника. Некоторое время назад существовал так называемый режим избирательного доступа (Selective Availability), своего рода запрограммированная погрешность, намеренно введенная министерством обороны США по соображениям безопасности. В тех условиях военные ведомства имели точность, измеряемую несколькими метрами, тогда как гражданские пользователи сталкивались с погрешностями до 100 метров и более. Эти ограничения были отменены в мае 2000 г., что резко повысило гражданскую точность системы. Принципиально же точность GPS-системы может достигать сантиметров и даже миллиметров.
Текст: Даниил Шургальский
Эта статья была опубликована 11 May 2006 г..
Доставка по всей Украине. ОПЛАТА ПРИ ПОЛУЧЕНИИ. Установка приобретенного оборудования в Киеве.