Что такое GPS ?

[Maxamp]

Что такое GPS ?

Введение
Спутниковая навигационная система GPS была изначально разработана США для использования в военных целях. Другое известное название системы «NAVSTAR». Ставшее уже нарицательным название «GPS» является сокращением от Global Positioning System, которое переводится, как Глобальная Навигационная Система. Это название полностью характеризуется предназначение системы обеспечение навигации на всей территории Земного шара. Не только на суше, но и на море и в воздухе. Используя навигационные сигналы системы GPS, любой пользователь может определить свое текущее местоположение с высокой точностью.
Такая точность, во многом, стала возможной благодаря шагам Американского правительства, которое в 2000 году сделало систему GPS доступной и открытой для гражданских пользователей. Напомним, что ранее с помощью специального режима избирательного доступа (SA Selective Availability) в передаваемый сигнал вносились искажения, снижающие точность позиционирования до 70-100 метров. С 1 мая 2000 года, этот режим был отключен и точность повысилась до 3-10 метров.
[Только зарегистрированные пользователи могут видеть ссылки. Нажмите Здесь для Регистрации]

Фактически, это событие дало мощный импульс для развития бытовой навигационной GPS аппаратуры, снижению ее стоимости, и активной ее популяризации среди обычных пользователей. На текущий момент, GPS приемники разных типов активно применяются во всех областях человеческой деятельности, начиная от обычной навигации, заканчивая персональным контролем и увлекательными играми, типа « Geocaching ». По результатам многих исследований, использование навигационных GPS систем дает большой экономический эффект для мировой экономики и экологии повышается безопасность движения, улучшается дорожная ситуация, уменьшается расход топлива, снижается количество вредных выбросов в атмосферу.
Растущая зависимость европейской экономики от системы GPS, и, как следствие, от администрации США, вынудила Европу начать разработку собственной навигационной системы Galilleo. Новая система во многом похожа на систему GPS.

Состав системы GPS

Космический сегмент
Космический сегмент системы GPS состоит из орбитальной группировки спутников, излучающих навигационные сигналы. Спутники расположены на 6-и орбитах на высоте около 20000 км. Период обращения спутников составляет 12 часов и скорость около 3 км/c. Таким образом, за сутки, каждый спутник совершает два полных оборота вокруг Земли.
Первый спутник был запущен в феврале 1978 года. Его размер с раскрытыми солнечными батареями равнялся 5 метрам, а вес более 900 кг. Это был спутник первой модификации GPS-I . За последние 30 лет, на орбите сменилось несколько модификаций GPS спутников: GPS II-A, GPS II-R, GPS IIR-M. В процессе модернизации снижался вес спутников, улучшалось стабильность бортовых часов, повышалась надежность.
[Только зарегистрированные пользователи могут видеть ссылки. Нажмите Здесь для Регистрации] [Только зарегистрированные пользователи могут видеть ссылки. Нажмите Здесь для Регистрации]

GPS спутники передают три навигационных сигнала на двух частотах L1 и L2. «Гражданский» сигнал C/A, передаваемый на частоте L1 (1575.42 МГц), доступен всем пользователям, и обеспечивает точность позиционирования 3-10 метров. Высокоточный «военный» P-код, передается на частотах L1 и L2 (1227.60 МГц) и его точность на порядок выше «гражданского» сигнала. Использование сигнала, передаваемого на двух разных частотах, позволяет также частично компенсировать ионосферные задержки.
В последней модификации спутников «GPS IIR-М» реализован новый «гражданский» сигнал L2C, призванный повысить точность GPS измерений.
[Только зарегистрированные пользователи могут видеть ссылки. Нажмите Здесь для Регистрации]

Идентификация навигационных сигналов осуществляется по номеру, соответствующему «псевдошумовому коду» (PRN pseudo-random noise), уникального для каждого спутника. В технической спецификации GPS системы изначально было заложено 32 кода. На этапе разработки системы и начальном периоде ее эксплуатации, планировалось, что количество рабочих спутников не будет превышать 24-х. Свободные коды выделялись для новых GPS спутников, находящихся на этапе ввода в эксплуатацию. И этого количества было достаточно для нормального функционирования системы. Но в настоящее время, на орбите находится уже 32 спутника, из которых 31 функционирует в рабочем режиме , передавая навигационный сигнал на Землю.
«Избыточность» спутников позволяет обеспечить пользователю вычисление позиции в условиях, где «видимость» неба ограничена высотными зданиями, деревьями или горами.
[Только зарегистрированные пользователи могут видеть ссылки. Нажмите Здесь для Регистрации]


Наземный сегмент
Наземный сегмент системы GPS состоит из 5-и контрольных станций и главной станции управления, расположенных на военных базах США на островах Кваджалейн и Гавайях в Тихом океане, на острове Вознесенья, на острове Диего-Гарсия в Индийском океане и в Колорадо-Спрингс. В задачи станций мониторинга входит прием и измерение навигационных сигналов поступающих с GPS спутников, вычисление различного рода ошибок и передача этих данных на станцию управления. Совместная обработка полученных данных позволяет вычислить отклонение траекторий спутников от заданных орбит, временные сдвиги бортовых часов и ошибки в навигационных сообщениях. Мониторинг состояния GPS спутников происходит практически непрерывно. «Загрузка» навигационных данных, состоящих из прогнозируемых орбит и поправок часов для каждого из спутников, осуществляется каждые 24 часа, в момент, когда он находится в зоне доступа станции управления.
[Только зарегистрированные пользователи могут видеть ссылки. Нажмите Здесь для Регистрации]

В дополнение к наземным GPS станциям существует несколько частных и государственных сетей слежения, которые выполняют измерения навигационных GPS сигналов для уточнения параметров атмосферы и траекторий движения спутников.

Аппаратура пользователей
Под аппаратурой пользователя подразумевают навигационные приемники, которые используют сигнал со спутников GPS для вычисления текущей позиции, скорости и времени. Пользовательскую аппаратуру можно разделить на «бытовую» и «профессиональную». Во многом этом разделение условное, так как иногда достаточно трудно определить, к какой категории следует отнести GPS приемник и какие критерии при этом использовать. Есть целых класс GPS навигаторов, использующихся в пеших походах, автомобильных путешествиях, на рыбалке и т.п. Есть авиационные и морские навигационные системы, которые зачастую входят в состав сложных навигационных комплексов. В последнее время широкое распространение получили GPS чипы, которые интегрируются в КПК, телефоны и другие мобильные устройства.
Поэтому в навигации большее распространение получило деление GPS приемников на «кодовые» и «фазовые». В первом случае, для вычисления позиции используется информация, передаваемая в навигационных сообщениях. К этой категории относится большинство недорогих GPS навигаторов, стоимостью 100-2000 долларов.
[Только зарегистрированные пользователи могут видеть ссылки. Нажмите Здесь для Регистрации]

Вторая категория навигационных GPS приемников использует не только данные, содержащиеся в навигационных сообщениях, но и фазу несущего сигнала. В большинстве случаев это дорогостоящие одно- и двухчастотные (L1 и L2) геодезические приемники, способные вычислять позицию с относительной точностью в несколько сантиметров и даже миллиметров. Такая точность достигается в RTK режиме, при совместной обработке измерений GPS приемника и данных базовой станции. Стоимость таких устройств может составлять десятки тысяч долларов.
[Только зарегистрированные пользователи могут видеть ссылки. Нажмите Здесь для Регистрации]


Принцип действия GPS
Принцип действия спутниковой GPS навигации основан на определении расстояния от текущего положения до группы спутников. Точное местоположение GPS спутников известно из данных эфемерид и альманаха, передаваемых в навигационных сообщениях. Зная расстояние до трех спутников, можно определить текущее местоположение, как точку пересечение трех окружностей.
Расстояние до спутников определяется простым уравнением R = t * c, где t время распространения радиосигнала от спутника до наблюдателя, а с постоянная величина, равная скорости света. Соответственно, зная время, за которое сигнал дошел от спутника до GPS приемника и, умножив ее на скорость света, можно определить расстояние.
[Только зарегистрированные пользователи могут видеть ссылки. Нажмите Здесь для Регистрации]

Чтобы определить момент, в который сигнал был «отправлен» со спутника, навигационное сообщение модулируется «псевдошумовым» PRN-кодом, соответствующим номеру спутника. Аналогичная последовательность генерируется в GPS приемнике в строгой временной синхронизации с кодом спутника. Принятый со спутника код сравнивается с кодом приемника, и определяется «как давно» в приемнике была сгенерирована схожая последовательность. Выявленный таким образом сдвиг одного кода по отношению к другому будет соответствовать времени прохождения сигналом расстояния от спутника до приемника. Преимуществом кодовых посылок является то, что измерения временного сдвига могут быть проведены в любой момент времени.
[Только зарегистрированные пользователи могут видеть ссылки. Нажмите Здесь для Регистрации]

Стоит отметить, что для точного вычисления расстояния часы GPS приемника и GPS спутника должны быть синхронизированы с высокой точностью. Потому что отличие даже в несколько микросекунд приводят к ошибке в несколько десятков километров, а это в свою очередь вносит погрешность в вычисление позиции.
Но если на GPS спутниках установлены атомные часы, имеющие очень высокую точность и стоимость которых составляет несколько сотен тысяч долларов, то в обычных GPS навигаторах использование таких дорогих источников частоты просто невозможно. В GPS навигаторах используются недорогие кварцевые генераторы, которые имеют существенно меньшую точность. Поэтому для вычисления «уходов» кварца при решении навигационной задачи используются измерения 4-го спутника. Фактически, получается задача с 4-мя неизвестными координатами X, Y, Z и временем T. Именно по этой причине измеренное расстояние до спутников называют «псевдодальностью», подразумевая, что оно содержит ошибку связанную с неточностью часов. В настоящее время, многоканальные GPS навигаторы одновременно отслеживают до 8-10 спутников, что позволяет быстро разрешить большинство неоднозначностей.
[Только зарегистрированные пользователи могут видеть ссылки. Нажмите Здесь для Регистрации]

Информацию о местоположении спутников GPS приемники получают из передаваемых в навигационных сообщений данных альманаха и эфемерид. Альманах содержит информацию о расположение спутников «на небе», что позволяет при очередном включении GPS прибора значительно сузить секторы поиска навигационного сигнала и уменьшить время его «захвата». Точные координаты спутников вычисляются на основании данных эфемерид. В отличие от альманаха, спутник передает только данные «своих» эфемерид, поэтому для его использования в подсчете позиции, GPS приемник должен получить полное навигационное сообщение. Ошибки передачи, связанные с «плохими» окружающими условиями, могут существенно увеличить время фиксации позиции. Наличие в памяти данных альманаха и эфемерид позволяет GPS приемнику определять позицию за 1-2 секунды. Этот режим называется «горячим» стартом
Геометрический фактор определяет относительное расположение GPS приемника и спутников, используемых в подсчете позиции. Его величина влияет на точность определения позиции. Если все спутники расположены в одном направлении от GPS приемника, то площадь пересечения всех окружностей будет достаточно большой. Эта площадь характеризует величину неопределенности измерений, влияющих на точность подсчета позиции.
[Только зарегистрированные пользователи могут видеть ссылки. Нажмите Здесь для Регистрации]

В случае, когда спутники расположены «вокруг» GPS приемника, область пересечений окружностей и соответственно величина неопределенностей уменьшаются.
[Только зарегистрированные пользователи могут видеть ссылки. Нажмите Здесь для Регистрации]


Источники ошибок
В действительности, на практике все выглядит несколько сложнее, чем в теории. Это объясняется влиянием на GPS измерения различного рода ошибок. Можно выделить три категории ошибок:

• Ошибки системы
• Ошибки связанны с распространением навигационного сигнала
• Ошибки приемной аппаратуры.

[Только зарегистрированные пользователи могут видеть ссылки. Нажмите Здесь для Регистрации]

Ошибки системы связаны точностью атомных часов спутников и соответствием реальной траектории спутников заданной орбите. Несмотря на то, что в каждом GPS спутнике используются высокоточные атомные часы, они тоже могут содержать ошибки и отклоняться от истинного значения системного эталона времени. Отклонение в 30 нс ведет к ошибке определения расстояния в 10 метров. Поэтому, все отклонения бортовых часов отслеживаются и их значения передаются в составе навигационных сообщений и учитываются GPS приемником в вычислениях позиции.
Второй тип системных ошибок связан с неточностью передаваемых эфемерид. В математической модели учитываются множество факторов, влияющих на изменение траектории орбит GPS спутников, но небольшие ошибки все равно присутствуют
Наиболее существенный вклад в навигационные измерения вносят ошибки, связанные с распространением сигнала атмосфере Земли, а именно в ионосферных и тропосферных ее слоях. Ионосфера Земли представляет собой слой заряженных частиц на высоте от 120 до 200 км. Эти частицы снижают скорость распространения сигнала, и, следовательно, увеличивают его время. Соответственно вносится ошибка в оценку расстояния от GPS приемника до спутника. Эти задержки могут быть смоделированы для разного времени суток, усреднены и внесены в измерения, но, к сожалению, эти модели не могут точно отобразить реальную ситуацию. После прохождения ионосферного слоя, навигационный сигнал попадает в тропосферный слой, в котором происходят все погодные явления и присутствуют водяные пары, также влияющее на скорость распространения сигнала. Для борьбы с ионосферными задержками используют дифференциальные метод определения позиции. Корректирующие поправки передаются с помощью геостационарных спутников WAAS/EGNOS и позволяют повысить точность позиционирования до 1 метра.
[Только зарегистрированные пользователи могут видеть ссылки. Нажмите Здесь для Регистрации]

Листва деревьев, особенно после дождя, существенно ослабляет уровень принимаемого GPS приемником навигационного сигнала
Ошибки многолучевости можно одновременно отнести и к категории ошибок, связанных с распространением навигационного GPS сигнала, и к ошибкам GPS приемника. Ошибка многолучевости связана с переотражением навигационного сигнала от близкорасположенных объектов зданий, металлических конструкций, деревьев и т.п. В результате этого эффекта время распространения отраженного сигнала превышает время «прямого» сигнала. Если уровень переотраженного сигнала выше уровня «прямого» сигнала, то происходит ошибочный «захват», и в результате, вносится ошибка в вычисления расстояния до спутника.
[Только зарегистрированные пользователи могут видеть ссылки. Нажмите Здесь для Регистрации]

Ошибка приемной аппаратуры связана с «шумами» возникающими в радио-части GPS навигатора. Эти ошибки, во многом, определяются качеством используемой элементной базы GPS приемников.

Заключение
Правительство США не останавливается на достигнутых результатах и активно работает над ее развитием, повышением точности, надежности и доступности. Это во многом обусловлено растущей конкуренцией не только на потребительском рынке навигационных систем, но и среди мировых держав, которые не хотят упускать лидерство в космосе. Российское правительство прилагает большие усилия, чтобы восстановить работоспособность Глонасс. С большими сложностями, но все же, развивается европейская система Galilleo. В апреле был выведен на орбиту уже 5-й спутник китайской системы Beidou.
Правительством США был разработан долгосрочный план развития системы GPS. В ближайшие несколько лет планируется вывод на орбиту новых модификации GPS спутников (GPS-IIF, GPS-III) с новыми военными и гражданскими сигналами (L5, M, L1C). Существенному усовершенствованию подвергнется наземный сегмент системы.

взято с [Только зарегистрированные пользователи могут видеть ссылки. Нажмите Здесь для Регистрации]

[ATW]

ГЛОНАСС
Глобальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС предназначена для определения местоположения, скорости движения, а также точного времени морских, воздушных, сухопутных и других видов потребителей.
Состав системы ГЛОНАСС.
Система ГЛОНАСС состоит из трех подсистем:
подсистемы космических аппаратов (ПКА);
подсистемы контроля и управления (ПКУ);
навигационной аппаратуры потребителей (НАП).
Подсистема космических аппаратов системы ГЛОНАСС состоит из 24-х спутников, находящихся на круговых орбитах высотой 19100 км, наклонением 64,8° и периодом обращения 11 часов 15 минут в трех орбитальных плоскостях. Орбитальные плоскости разнесены по долготе на 120°. В каждой орбитальной плоскости размещаются по 8 спутников с равномерным сдвигом по аргументу широты 45°. Кроме этого, в плоскостях положение спутников сдвинуты относительно друг друга по аргументу широты на 15°. Такая конфигурация ПКА позволяет обеспечить непрерывное и глобальное покрытие земной поверхности и околоземного пространства навигационным полем.

Подсистема контроля и управления состоит из Центра управления системой ГЛОНАСС и сети станций измерения, управления и контроля, рассредоточенной по всей территории России. В задачи ПКУ входит контроль правильности функционирования ПКА, непрерывное уточнение параметров орбит и выдача на спутники временных программ, команд управления и навигационной информации.

Навигационная аппаратура потребителей состоит из навигационных приемников и устройств обработки, предназначенных для приема навигационных сигналов спутников ГЛОНАСС и вычисления собственных координат, скорости и времени.
Принципы работы
Принцип определения позиции аналогичен американской системе NAVSTAR. Первый спутник ГЛОНАСС был выведен на орбиту 12 октября 1982 года. 24 сентября 1993 года система была официально принята в эксплуатацию. Спутники системы ГЛОНАСС непрерывно излучают навигационные сигналы двух типов: навигационный сигнал стандартной точности ( СТ ) в диапазоне L1 (1,6 ГГц) и навигационный сигнал высокой точности ( ВТ ) в диапазонах L1 и L2 (1,2 ГГц). Информация, предоставляемая навигационным сигналом СТ, доступна всем потребителям на постоянной и глобальной основе и обеспечивает, при использовании приемников ГЛОНАСС, возможность определения:
горизонтальных координат;
вертикальных координат;
составляющих вектора скорости;
точного времени.
Точности определения можно значительно улучшить, если использовать дифференциальный метод навигации и/или дополнительные специальные методы измерений.

Для определения пространственных координат и точного времени требуется принять и обработать навигационные сигналы не менее чем от 4-х спутников ГЛОНАСС. При приеме навигационных радиосигналов ГЛОНАСС приемник, используя известные радиотехнические методы, измеряет дальности до видимых спутников и измеряет скорости их движения.

Одновременно с проведением измерений в приемнике выполняется автоматическая обработка содержащихся в каждом навигационном радиосигнале меток времени и цифровой информации. Цифровая информация описывает положение данного спутника в пространстве и времени (эфемериды) относительно единой для системы шкалы времени и в геоцентрической связанной декартовой системе координат. Кроме того, цифровая информация описывает положение других спутников системы (альманах) в виде кеплеровских элементов их орбит и содержит некоторые другие параметры. Результаты измерений и принятая цифровая информация являются исходными данными для решения навигационной задачи по определению координат и параметров движения. Навигационная задача решается автоматически в вычислительном устройстве приемника, при этом используется известный метод наименьших квадратов. В результате решения определяются три координаты местоположения потребителя, скорость его движения и осуществляется привязка шкалы времени потребителя к высокоточной шкале Универсального координированного времени (UTC).

Запуски
25 декабря 2005 с космодрома «Байконур» на орбиту ракетой-носителем «Протон-К» были запущены один спутник «ГЛОНАСС» и два спутника «ГЛОНАСС-М» с увеличенным ресурсом эксплуатации.
26 декабря 2006 состоялся вывод на орбиту ракетой-носителем «Протон-К» трех спутников «ГЛОНАСС-М».
26 октября 2007 ракета-носитель «Протон-К» стартовала с «Байконура» и вывела на околоземную орбиту три модифицированных спутника «ГЛОНАСС-М».
25 декабря 2007 с космодрома «Байконур» стартовала ракета-носитель «Протон-М» и вывела на орбиту три спутника «ГЛОНАСС-М». Одновременно 4 спутника, запущенные в 2001-2003 годах, были выведены из группировки.
25 сентября 2008 запуск ракеты-носителя «Протон» с тремя спутниками «ГЛОНАСС-М», 1 спутник, запущенный ранее - на этапе вывода из состава ОГ.
25 декабря 2008 после успешного пуска с космодрома «Байконур» ракеты-носителя «Протон-М» 3 космических аппарата «ГЛОНАСС-М» успешно отделились от разгонного блока и начали автономный полет.
ГЛОНАСС сегодня
В настоящее время орбитальная группировка состоит из 20 спутников, полная группировка в составе 24-х спутников в соответствии с федеральной целевой программой «Глобальная навигационная система» должна быть развернута в 2010 году.

В настоящее время состав орбитальной группировки еще не обеспечивает 100-процентную доступность услуг ГЛОНАСС на территории страны, однако количество видимых над горизонтом в России спутников ГЛОНАСС, как правило, равняется трем или более. По заявлениям продавцов навигационного прибора Glospace, для определения местоположения достаточно трех видимых спутников ГЛОНАСС, а четвертый дает уточнение о высоте. Отсюда нетрудно сделать вывод, что для ориентирования наземных пользователей (автоводителей, грибников, туристов и т. п.) система вполне пригодна прямо сейчас, хотя при самолетовождении еще могут возникать определенные трудности.

Спутники «ГЛОНАСС-М» в составе орбитальной группировки будут находиться, как минимум, до 2015 года. Летные испытания негерметичных спутников нового поколения «ГЛОНАСС-К» с улучшенными характеристиками (увеличенным до 10 лет гарантийным сроком и третьей частотой L-диапазона для гражданских потребителей) должны начаться в 2010 году. Этот спутник будет вдвое легче своего предшественника (примерно 850 кг против 1415 кг у «Глонасс-М»)

В дальнейшем, после развертывания орбитальной группировки из 24-х космических аппаратов, для ее поддержания потребуется делать по одному групповому пуску в год двух КА «ГЛОНАСС-К» на носителе «Союз», что существенно снизит эксплуатационные расходы.

С 1 января 2006 г. все вновь вводимые в эксплуатацию транспортные средства, включая самолеты, суда, наземный транспорт, геодезическое оборудование и космические аппараты, должны в обязательном порядке оснащаться аппаратурой спутниковой навигации отечественной системы ГЛОНАСС или комбинированными приемниками ГЛОНАСС/ GPS. Согласно постановлению правительства РФ от 9 июня 2005 г. приемниками ГЛОНАСС должны быть оборудованы находящиеся в эксплуатации транспортные средства. По мнению представителей «Роскосмоса», эти меры являются разумными и призваны защитить отечественный рынок пользовательской аппаратуры глобальной спутниковой навигации. С другой стороны, эти системы в первую очередь направлены на решение задач национальной безопасности, поскольку глобальная спутниковая навигационная система играет важнейшую роль в обеспечении применения высокоточного оружия дальнего радиуса действия. Вместе с тем, будущее системы ГЛОНАСС предстает далеко не в безоблачном свете.

Опасения вызывает отсутствие на рынке конкурентоспособных отечественных приемников ГЛОНАСС, а также конкретных планов развертывания ее массового производства.
Источник:[Только зарегистрированные пользователи могут видеть ссылки. Нажмите Здесь для Регистрации]

В настоящее время работают или готовятся к развёртыванию следующие системы спутниковой навигации:

Бэйдоу
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.

IRNSS
Индийская навигационная спутниковая система, в состоянии разработки. Предполагается для использования только в этой стране. Запуск первого спутника ожидается в 2009 году.

[HAUS]

Я как бы все понимаю, но одно не дает мне успокоится в этом отношение. А точнее, то, что во всей схеме есть уточнение скорости света в конкретной среде существующими наземные станции. Дак вот совсем недавно, в GPS произошло событие, заключающее в том, что точность определения координат на территории России резко возросла. Этот момент можно объяснить только наличием наземных станций на территории России, что ни как не вяжется с реальностью. Хотя если америкосы придумали другую схему определения скорости электомагнитнопроводимост и надземной среды, то это сразу все объясняет.
Мож я снова чего-то не понял, что скажите?

Большое спасибо за информацию. Теперь я буду это знать.