Что такое GPS

Спутниковая навигационная система GPS (Global Positioning System), или Система глобального позиционирования, точнее, ее космический сегмент, представляет собой группировку из 24 спутников, вращающихся на шести околоземных орбитах высотой около 17 тысяч км. Система GPS (официальное название - NAVSTAR) предназначена для определения местоположения объектов; она разработана по заказу и находится под управлением Министерства обороны США. В восьмидесятые годы ХХ века была открыта для гражданского использования. Система GPS работает при любых погодных условиях по всему миру 24 часа в сутки. Питание спутников GPS обеспечивают солнечные батареи; на борту имеются также резервные аккумуляторные батареи. Каждый спутник имеет небольшие ракетные двигатели, предназначенные для коррекции орбитальных траекторий.

Принцип определения местоположения на земной поверхности в глобальной системе позиционирования несложен. С ее помощью можно с высокой степенью точности определять координаты и скорость подвижных объектов. За пользование услугами системы GPS не взимается ни абонентская плата, ни плата за подключение. Для использования системы необходимо только приобрести GPS-приемник .

Как работает система GPS

Спутники движутся по своим орбитам со скоростью около 3 км/сек, совершая два полных оборота вокруг планеты менее чем за 24 часа и постоянно передавая навигационные радиосигналы. GPS-приемники принимают эти сигналы и методом триангуляции вычисляют свое местоположение. Приемник сравнивает время излучения сигнала со временем его прием. Разность между этими величинами позволяет вычислить расстояние до спутника. Приемник GPS измеряет расстояние до нескольких навигационных спутников, параметры орбит которых известны, и вычисляет по измеренным расстояниям значение собственных координат. Для выполнения этих задач в состав устройства GPS входят собственно приемник с антенной, процессор, дисплей и клавиатура для управления работой прибора. В настоящее время существует до тысячи различных моделей таких устройств, производством которых занимаются более чем 150 компаний мира.

Принимая информацию как минимум от трех спутников, GPS-приемник способен определить двухмерные координаты пользователя (широту и долготу). "Захват" четырех и более спутников позволяет определить координаты в трех измерениях (широта, долгота и высота. Помимо определения местоположения пользователя приемник способен вычислить такие величины, как скорость движения, его траекторию, пройденное расстояние, расстояние до конечного пункта, время восхода и захода солнца для данной точки и многое другое. Каждый спутник передает сигналы на трех частотах. Мощность радиопередатчика составляет не более 50 Ватт.

Первый GPS-спутник был запущен в феврале 1978 г. Каждый спутник рассчитан на эксплуатацию примерно в течение 10 лет. Новые спутники изготавливаются и запускаются на орбиту по мере необходимости. Работа всей системы запланирована и профинансирована минимум до 2006 года.

Точность системы GPS

Современные многоканальные GPS-приемники обеспечивают достаточно высокую точность. Так, 12-канальные GPS-приемники GARMIN отслеживают до 12-ти спутников GPS одновременно, обеспечивая быстрое и надежное определение местоположения, в том числе в городских условиях или под густыми кронами деревьев. На точность определения местоположения GPS-приемником влияет расположение видимых спутников, а также ряд атмосферных и других факторов. Точность GPS-приемников GARMIN в среднем составляет 15 м.

Точность GPS-приемников может быть повышена путем приема дифференциальных поправок. Наиболее перспективные источники дифференциальных поправок - глобальные дифференциальные подсистемы, передающие поправку к сигналам GPS с геостационарных спутников. За их использование не предусмотрено какой-либо платы. К ним относятся американская система WAAS, европейская EGNOS и японская MSAS. Они повышают точность определения местоположения GPS-приемниками до 1-3 м. Большинство моделей GPS-приемников поддерживают подключение к ним DGPS-приемников для автоматического уточнения измерений.

Точность GPS-приемников, установленных на морских судах, также может быть повышена до 1-5 м путем приема дифференциальных поправок, передаваемых сетью радиомаяков, расположенных на морских побережьях.

Структура передаваемых сигналов

Гражданские GPS-приемники работают на частоте L1, равной 1575,42 МГц. Прием сигналов возможен только с тех спутников, которые находятся в пределах прямой видимости. Облака, стекло и пластик не являются преградами для сигнала, в отличие от большинства плотных объектов (здания, рельеф местности, металлические предметы и люди). Сигнал, передаваемый спутниками GPS, содержит три важных составляющих - псевдослучайный код, эфемеридные данные и альманах. Псевдослучайный код содержит номер спутника, передающего информацию. GPS-приемники GARMIN отображают его на странице спутников.

Эфемеридные данные, постоянно передаваемые каждым спутником, содержат важную информацию о статусе спутника (работает/не работает), а также текущую дату и время. Эта часть сигнала необходима для вычисления местоположения.

Альманах содержит информацию о том, где должны находиться спутники GPS. Каждый спутник передает альманах, содержащий орбитальную информацию для данного спутника, а также всех остальных спутников GPS.

Источники ошибок в определении местоположения

На точность местоопределения при помощи сигнала GPS влияют следующие факторы:

• 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;

• многолучевой прием. Это происходит, когда сигнал GPS отражается от объектов (например, высоких зданий или скал) и попадает в GPS-приемник. Увеличение времени прохождения отраженного сигнала приводит к возникновению ошибки;

• ошибка 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;

• орбитальные ошибки (известны также как эфемеридные ошибки). Соответствуют неточности в передаваемом местоположении спутников;

• число видимых спутников. Чем больше спутников находится в зоне прямой видимости GPS-приемника, тем выше точность. Здания, элементы рельефа, а иногда и густая листва могут препятствовать приему сигналов GPS, становясь причиной возникновения ошибок в местоопределении, а иногда даже делая его невозможным;

• геометрия видимых спутников. Определяется взаимным расположением спутников в каждый момент времени. Идеальной является такая геометрия спутников, когда углы между направлениями на них большие. Неудачной считают такую геометрию, когда спутники располагаются на одной линии или близко к ней;

• намеренное загрубление сигнала GPS. Программа избирательной доступности (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. В мае 2000 года. правительство Соединенных Штатов выключило режим SA, что повысило точность гражданских GPS-приемников со 100 до 15 метров.