Система спутниковой навигации GPS

Система GPS представляет собой самый совершенный на сегодняшний день навигационный инструмент. Где бы Вы ни находились - на земле, на море или в воздухе, при помощи глобальной системы определения координат Вы можете легко, точно и быстро определить свое местоположение.

Первоначально приемники GPS применялись исключительно для военных целей. Но постепенно штатские берут свое, и в настоящее время существует два стандарта использования системы GPS - для гражданских и для военных целей.

Первый стандарт называется PPS (Precise Positioning System) и позволяет определять положение объектов с крайне высокой точностью. Этот стандарт используется ВС США, госслужбами США и гражданскими лицами, имеющими специальное разрешение правительства. PPS позволяет определить положение с точностью 17,8 м для горизонтальных и 27,7 м для вертикальных измерений и дает ошибку в измерении времени не более 10⁷ с. Нам с Вами, понятное дело, такая точность недоступна.

Нам доступен второй стандарт - SPS (Standard Positioning System). Точность измерений по нему специально понижается. Точность по стандарту SPS составляет 100 м по горизонтали и 156 м по вертикали. Допустимая шибка по времени - 1.67 ´ 10^-7с.

Система GPS состоит из трех основных сегментов:

Космический сегмент включает в себя 24 (21 активный и 3 резервных) низкоорбитальных спутника, расположенных на высоте чуть больше 19.000 км, с периодом обращения вокруг земли составляющим 12 часов. Эта система (она называется NAVSTAR) принадлежит Министерству Обороны США, которое предоставляет ее для гражданских пользователей на некоммерческой основе. Всего существует шесть орбитальных плоскостей, расположенных под углом около 55° к полярной. На каждой плоскости находится четыре спутника. Все это позволяет Вам получать данные как минимум от пяти спутников в каждой точке земного шара. Контрольный сегмент состоит из сети наземных станций слежения, разбросанных по всему миру. Когда спутник проходит над одной из станций, он получает информацию о своих координатах, высоте над уровнем моря и скорости. Центральная станция расположена на базе ВВС США ФАЛЬКОН в Колорадо.

Рабочий сегмент системы представлен приемником GPS. Спутник передает свой код, основанный на псевдослучайной последовательности (т.н. PRN-код, представляющий собой шумоподобную, но, на самом деле, заранее определенную индивидуальную последовательность - Pseudo Random Noise), для расчета времени, а также свои координаты. Система действует в трех измерениях и пригодна, таким образом, для определения положения движущихся объектов на земле, на море и в воздухе. В обычном случае небольшой приемник GPS определяет расстояние до спутника путем измерения времени прохождения сигнала от спутника. Если расстояние, отделяющее приемник GPS от Спутника 1 составляет 37.000 км, приемник расположен на поверхности сферы, радиус которой равен 37.000 км, а координаты центра совпадают с координатами спутника. Расстояние в 15.000 км до Спутника 2 определяет вторую сферу соответствующего радиуса с центром на Спутнике 2. Пересечение двух сфер дает Окружность 3. Если приемник GPS находится на уровне моря, то определена и третья сфера, центр которой совпадает с центром Земли, а радиус - с радиусом земного шара. Эта сфера пересекает Окружность 3 в двух точках, одна из которых заведомо не подходит - скажем, соответствует слишком высокой скорости перемещения и может быть проигнорированная. Микропроцессорный блок обработки данных производит все соответствующие вычисления. Теоретически достаточно трех сфер, но на самом деле, обычно возникает необходимость в дополнительных измерениях, обусловленная особенностями работы хронометрирующих устройств.

Приемник GPS использует небольшие и довольно точные электронные часы. Их точность составляет 10^-9с, в то время как точность атомных часов, используемых спутниками – 10^-12 с. Это вызывает появление существенной ошибки в определении координат, для устранения которой необходимы дополнительные данные спутниковых измерений. В итоге, для получения точной информации необходимы данные по четырем спутникам для наземных и воздушных измерений и по трем - для морских (радиус и координаты центра четвертой сферы совпадают соответственно с радиусом Земли и координатами центра Земли).

Таким образом, если позволить себе немного отвлечься от профессиональной терминологии, в основу системы GPS положен тот основной принцип, на котором базируется работа всех навигационных устройств - определение направления по известным ориентирам. Таким ориентиром может служить все, что угодно - и неподвижная Полярная звезда, и магнитный полюс Земли и орбитальный спутник.

Спутник передает сигналы на двух несущих частотах в дециметровом диапазоне. Сигналы на первой частоте F1 (1575,42 МГц) включают информацию о местоположении и код SPS, а сигналы на второй частоте F2 (1227,60 МГц) используются для измерения ионосферной задержки.

В качестве метода модуляции применяется так называемая технология SST (Spread Spectrum Transmission), основанная на использовании широкополосных сигналов. Модуляция сигналов на частотах F1 и F2 осуществляется при помощи трех различных бинарных кодов. С/А-код (стандартного определения местоположения) модулирует фазу несущей F1, «размазывая» спектр в полосе 1 МГц. Он представляет собой повторяющийся с периодом 1 МГц PRN-код. Каждому спутнику соответствует собственный С/А-код. Код, модулирующий фазу несущей F1, (является основой гражданского стандарта) SPS. Р-код (точного определения местоположения) модулирует фазы обеих несущих - F1 и F2. Он предоставляет собой длительный PRN-код с периодом 10 МГц. Каждому спутнику выделяется индивидуальный семидневный интервал Р-кода, причем начальное состояние таких кодов меняется каждую неделю для обеспечения защиты от несанкционированного доступа.

Третий код - так называемое «навигационное сообщение» - также модулирует фазу несущей F1 при помощи С/А-кода. Это код с периодом 50 Гц, передаваемый в виде шестисекундных кадров, каждый из которых состоит из пяти 300-битных субкадров.

В процессе создания системы GPS разработчикам пришлось столкнуться с серьезными проблемами технологического характера.

Первая из таких проблем - как определить момент посылки сигнала со спутника. Она была решена следующим образом. Вышеописанные PRN-коды генерируются и спутником и приемником GPS каждую миллисекунду и ничем не отличаются друг от друга. Сравнение кодов позволяет определить временную разницу между спутником и приемником.

Вторая проблема, вернее, даже целый комплекс сходных проблем, заключалась в необходимости коррекции ошибок определения координат. Что может обусловить появление таких ошибок и какими они бывают?

Первая разновидность обусловлена как помехами в PRN-коде, так и на линии радиосвязи.

Второй тип ошибок - так называемые ошибки смещения, количество и величина которых определяется степенью селективности и рядом других факторов. Степень селективности определяет точность измерений, производимых системой GPS и намеренно снижается для гражданских пользователей. Так, потенциальная точность измерений составляет около 30 м, а реальная, как уже было упомянуто, снижена до 100 м. Возможно, нелишним будет напомнить, что снижение степени селективности достигается за счет использования различных PRN-кодов для гражданских и военных целей.

Ошибки смещения могут также возникнуть в том случае, если ошибки хронометрических данных по той или иной причине не были исправлены контрольным сегментом системы GPS. Для повышения точности измерений следует также учитывать так называемые тропосферные задержки, обусловленные изменениями температуры, атмосферного давления и влажности воздуха, приводящими к искривлению траектории распространения радиосигнала. Величина таких ошибок обычно не j превышает одного метра.

Еще одну существенную проблему представляют собой интерференционные замирания, обусловленные многократным отражением сигнала спутника от находящихся вблизи приемника естественных препятствий - например, высотных зданий. Ошибка, обусловленная «раздроблением» может достигать 10 м. Причем и учесть и свести на нет помехи подобного рода иногда оказывается достаточно сложно.

Наконец, разного рода неприятности могут быть связаны либо с аппаратными ошибками (например, если на военной базе в Колорадо отключат свет ввиду неуплаты долгов) и ошибками операторов станций слежения; либо со сбоями в работе программного и аппаратного обеспечения. Величина ошибок такого рода естественным образом варьируется от одного метра до нескольких сотен километров.

Для устранения вышеописанных препятствий на пути к точному определению координат, создателями системы GPS были разработаны специальные методы, на основе так называемого дифференциального приема. Например, для морских наблюдений, дифференциальные GPS позволяют достичь точности определения положения 5-10 метров и скорости - ±0.9 км/ч. Для достижения таких результатов нужно приобрести и присоединить к Вашему устройству GPS специальный приемник. Последний декодирует сигналы с более низких частот, получаемые от передатчика наземного базирования с заранее определенными координатами и корректирует данные, полученные от спутника. Интересно, что поправки могут вносится в данные как в режиме реального времени, так и post factum. Во втором случае данные, полученные от наземного передатчика записываются, а все необходимые вычисления производятся позднее. Базируется эта система на сети наземных станций. В частности, в США эту функцию берут на себя станции береговой охраны.

Основная задача устройств GPS - определение и отображение в удобном для пользователя виде информации о местонахождении объекта с таким устройством в любое время суток, при любой погоде, в любой точке земного шара. Было бы наивно полагать, что производители приемников GPS остановятся лишь на возможности определения координат. В настоящее время это небольшое устройство (размерами не больше плитки шоколада) наделено многими полезными (и не очень) функциями, вполне очевидно вытекающими из возможности определения местоположения в пространстве. Наиболее полезным, как показывает практика, является возможность приемника GPS вести вас по заранее указанному курсу. Вам достаточно лишь ввести координаты точки прибытия - и на экране вы увидите направление, в котором надо двигаться, расстояние до объекта следования, отклонение от курса, а также время, за которое вы достигните цели при определенной скорости движения. Свои координаты приемник GPS определяет (вычисляет), принимая сигналы со спутников, находящихся на высоких околоземных орбитах. Сегодня на орбите располагаются 24 спутника, запущенных в недалеком прошлом военно-воздушными силами США. Достаточно сказать, что тысячекилограммовая бомба, запускаемая с самолета F-16 и ведомая с помощью системы GPS, поражает цель с точностью до нескольких метров.

Для гражданских применений в сигнал, передаваемый со спутников, вводится специальная ошибка, которая при вычислении координат дает погрешность в несколько десятков метров.

Если назначение приемников GPS стало для вас вполне очевидным и вы чувствуете непреодолимое желание приобрести в свое личное пользование подобное устройство, то мы просто обязаны поделиться некоторыми соображениями по поводу особенностей структуры приемников GPS.

Выделяют три типа приемников, применяемых в системах GPS. Многоканальные, мультиплексируемые и с последовательным опросом. В системах, перемещающихся со значительной скоростью, предпочтительнее использовать многоканальные приемники. Поскольку объектов, передвигающихся с очень большими скоростями, что может существенно повлиять на точность определения координат, не так много, то, в принципе, все равно, какой тип приемников используется.

Самые простые приемники имеют обычный двух - четырех строчный дисплей с точечным изображением символов, на котором отображается буквенно-цифровая информация и простейшие графики и схемы. Естественно, графическое изображение очень полезно и удобно для восприятия. Так, например, на дисплее можно увидеть направление, в котором надо двигаться, пройденный путь, компас и многое другое.

Наиболее удобны в пользовании дисплеи с большими экранами, на которых ваши координаты "привязываются" к электронной карте конкретной местности. Таким образом, вы всегда будете иметь систему слежения за своим передвижением. Следует иметь в виду, что разнообразные модификации приемников GPS, имеющих различные характеристики и возможности, имеют и различные дисплеи. Помимо размеров, важными являются такие свойства дисплея, как разборчивость изображения (четкость), темнота символов, а также возможность работы как при ярком солнце, так и при свете одних только звезд, ибо некачественное изображение может перечеркнуть все функциональные преимущества данного приемника по сравнению с другим, обладающим меньшими возможностями, но оснащенным более "читаемым" дисплеем. Особенно важна простота работы с отображаемой информацией и информативность каждого из дисплейных "окон" с тем, чтобы для получения необходимой информации не требовалось переходить от одного "окна" к другому (т. е. несколько раз менять изображение на дисплее). Самыми интересными в этом смысле являются GPS дисплеи, позволяющие самому выбирать содержимое каждого из "окон", в зависимости от специфики его применения.

Все устройства определения координат можно условно разделить, как и многие другие средства связи на два класса: носимые (портативные) и возимые (мобильные) приемники GPS. Как правило, у возимых вариантов более широкий экран и имеется приспособление для крепления к подвижному объекту. Что касается антенной системы, то здесь также можно выделить два класса устройств:

приемники с внутренними (встроенными) антеннами и с внешними антеннами. Внешние антенны, в свою очередь, могут быть двух типов: маленькие антенны, которые крепятся непосредственно к приемнику GPS, и выносная антенна, более эффективная, размещаемая, в основном, с помощью магнита на крыше автомобиля, катера и т. д. Выносные антенны применяют в том случае, если приемник GPS находится под экранирующей поверхностью (например, под крышей автомобиля).

Некоторых может не устроить точность определения координат (несколько десятков метров), как, например, при движении судов по очень узким рекам и каналам и т. д. В этом случае применяются дифференциальные приемники GPS (DGPS). Под этим понимается установка специального отдельного дифференциального приемника, который подключается к обычному приемнику GPS. Дифференциальный приемник принимает сигнал с опорного пункта, который содержит информацию об ошибке определения координат. Эта ошибка учитывается при отображении координат на дисплее приемника GPS, доводя точность до 2...5м. Ошибка в определении координат вычисляется следующим образом. Координаты опорного пункта заведомо известны, там же устанавливается приемник GPS, который определяет "неточные" координаты. По известным и вычисленным координатам определяется ошибка и через передатчик посылается сигнал в эфир всем, кто сможет его принять (см. рисунок). По такому принципу, например, построена работа береговой охраны США.

Теперь давайте снова обратимся к возможностям приемников GPS и поговорим о хранении информации. В зависимости от фирмы изготовителя и модификации приемника, они могут запоминать от 100 до 2000 точек (пунктов). Дав каждой из них свое название (его вы устанавливаете сами), затем можно найти любую из этих точек по названию. Можно также запомнить ваши текущие координаты, также дав им название. Помимо координат, приемник может хранить в памяти несколько десятков путей, которые вы устанавливаете сами или которые приемник GPS отслеживает. Затем выбираете нужный вам путь, и с помощью приемника сможете успешно добраться до пункта назначения, при этом на экране отображается много полезной информации: типа отклонения от курса, примерное время в пути и т. д.

Практически все приемники GPS имеют функцию оповещения о приближении к точке, которая по каким-либо причинам является опасной для вас. Границы опасной зоны вы, естественно, выбираете сами.

Последнее, о чем просто необходимо упомянуть, это возможность обмениваться информацией с другими устройствами, например, локаторами, эхолотами и т. д. Для этого предусмотрен специальный протокол передачи данных NMEA. Это, в частности, позволяет накладывать информацию об объектах, полученную с локатора, на карту конкретной местности. Помимо этого, многие приемники GPS имеют разъем RS-232 и последовательный порт.

Расскажем также несколько подробнее о некоторых интересных, принадлежащих к данному классу, устройствах. Пожалуй, уникальным в своем роде устройством является приемник GPS фирмы MAGELLAN GSC 100. Особенность его заключается в том, что, помимо приемника со всеми полагающимися ему возможностями, GSC 100 является еще и устройством передачи и приема электронной почты (e-mail) через спутниковую систему ORBCOMM. Система ORBCOMM состоит из 28 спутников, расположенных на низких орбитах (примерно 750 км над землей), она позволяет передавать и принимать сообщения e-mail в любой точке земного шара. Для того, чтобы сопрягать спутниковый сегмент (сигналы со спутников) с наземными сетями общего пользования, был построен ряд наземных шлюзовых станций.

Таким образом, в довольно маленьком устройстве (20´9´4,5 см) фирме MAGELLAN удалось объединить сразу две спутниковые технологии, что сделало его незаменимым спутником в местах, где еще долго будут отсутствовать обычные средства связи.

Еще одно довольно необычное устройство совсем недавно было выпущено фирмой GARMIN и носит название GPSCOM190. Оно сочетает в себе, по сути, два устройства: двенадцати канальный приемник GPS и УКВ приемник авиационного диапазона, что делает его незаменимым для пилотов малогабаритных частных самолетов. Технологией GPS могут пользоваться также гражданские воздушные авиалайнеры.