GPS: основни понятия и термини

Рубрикатор

Нашите новини

Абонирайте се за новини

Маханков Александър

От 60-те години на XX век въоръжените, военноморските и въздушните сили на САЩ работят самостоятелно по създаването на радионавигационни системи, които позволяват, независимо от метеорологичните условия, денонощно да определят координатите на обектите на Земята.

През 1973 г. тези програми бяха обединени в една, а ВВС на САЩ бяха назначени да ръководят развитието на системата. Това беше началото на историята на изграждането на системата NAVSTAR (Navigation Satellite Timing and Ranging) - глобална система за позициониране (Global Positioning System). От 1983 г., след като цивилните получиха достъп до неговата информация и през 1991 г. бяха премахнати ограниченията за продажба на GPS оборудване в страните от бившия СССР, добре познатото съкращение GPS стана широко разпространено.

Първоначално беше планирано системата да служи за високо прецизно насочване на бойни ракети, а навигационните функции на системата бяха отведени на заден план.

Първият спътник на системата е изстрелян през 1978 г., а по-голямата част от спътниците в системата са изведени в орбита в средата на 80-те години. През 1994 г. в орбита беше поставен сателит, който направи възможно завършването на изграждането на система от 24 спътника.

Периодът на спътник в орбита е приблизително 10 години. Сателитите, отслужили времето си, систематично се отстраняват от системата и се изхвърлят.

Подобна сателитна навигационна система GLONASS (GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEM) работи в Русия, чийто принцип на действие в много отношения е подобен на GPS, точността на определяне на координатите на който обаче е много по-малка.

Сателитните радионавигационни системи са космически базирани системи за всякакви метеорологични условия. Те ви позволяват да определите текущото местоположение на движещите се обекти и тяхната скорост, както и да извършите точна координация на времето.

Системата включва:

AES съзвездие (космически сегмент);
мрежа от наземни станции за проследяване и контрол (контролен сегмент);
GPS приемници (потребителско оборудване).

Предавателното оборудване излъчва синусоидални сигнали на две честоти: L1 = 1575,42 MHz и L2 = 1227,60 MHz. Преди това сигналите се модулират с псевдослучайни цифрови последователности (тази процедура се нарича фазова манипулация). Освен това честотата L1 се модулира от два вида кодове: C/A-код (код за безплатен достъп) и P-код (код за разрешен достъп), а честотата L2 - само от P-код. В допълнение и двете носещи честоти са допълнително кодирани с навигационно съобщение, което съдържа данни за орбитите на сателита, информация за атмосферните параметри и корекции на системното време. Честотата L1 е предназначена за широк кръг граждански потребители, докато сигналът L2 е достъпен предимно за американските военни и федерални служби. Точността на автономното определяне на разстоянието с P-код е около порядък по-висока, отколкото с C/A-код.

Тези параметри на местоположението на съзвездието космически кораби не са избрани случайно. По всяко време и навсякъде по света можете да получавате сигнали от поне 3 сателита, което е необходимо условие за определяне на координатите. За по-точно позициониране е необходим сигнал от четвъртия спътник.

Наземният сегмент на системата е представен от мониторингови и измервателни станции за наблюдение на спътници. Те се намират в Кваджалейн, остров Възнесение, Хаваи, Диего Гарсия и Колорадо Спрингс. Също така системата има три наземни антени (остров Възнесение, Диего Гарсия и Кваджалейн). Контролът се извършва на централната станция, разположена в авиобазата в Шривер, Колорадо (военновъздушна база Шривер, Колорадо).

Приемните устройства - GPS-навигатори - работят съвместно със сателити. GPS навигаторът получава следната информация от сателитите: „псевдослучайни кодове“ (PRN - псевдослучайни кодове), „ефемериди“ (ephimeris) и „алманах“ (almanach). Чрез присъствието на тези данни в GPS навигаторите се определя типът старт или, с други думи, инициализация (старт означава началото на процеса на получаване на данни от най-малко 3 спътника, което е достатъчно за 2D навигация). Всеки сателит предава само свои собствени ефемериди, докато алманах се предава от всеки спътник за всички спътници наведнъж. Приемникът може да стартира в различни режими. „Студен старт“ възниква, когато информацията за алманаха и ефемеридите е много остаряла. Данните могат да бъдат загубени, ако GPS приемникът се премести на голямо разстояние или ако часовникът на приемника е загубен. Обикновено студеният старт отнема няколко до 45 минути. „Топъл старт“ - алманахът е оцелял, но ефемеридите вече са загубени и часовникът на приемника все още „знае“ точното време. Такъв старт отнема по-малко време, от 30 секунди до 10-15 минути, в зависимост от условията на приемане. В този случай GPS приемникът трябва да получава само ефемеридни данни. И накрая, най-бързият старт е „горещ“. Отнема от няколко секунди до 5 минути. Горещ старт може да се извърши, когато в навигатора са налични както алманах, така и ефемериди.

По този начин в по-голямата си част времето между включването и началото на издаването на координати зависи от това колко отдавна е било изключено устройството, както и от чувствителността на устройството; моделът на приемника влияе на степента на придобиване на спътници в по-малка степен.

Функционирането на потребителското оборудване може да се разбере от обобщената диаграма (фиг. 2).

Основното съобщение, предадено от всеки GPS навигационен спътник, се формира като рамка. Потокът от навигационни данни се предава с 50 бита/сек. Продължителността на информационния символ "0" или "1" е 20 ms. Рамката се състои от пет подрамки, като четвъртият и петият подрамки са разделени на 25 страници. Първият до третият подрамки и всяка страница от четвъртия и петия подрамки съдържат 300 знака, които са разделени на 10 думи по 30 знака на дума.

Таблица 1 показва информацията, предавана от навигационния спътник.

Алманах, съдържащ информация за параметрите на орбитите на всеки от спътниците в системата, е даден в таблица 2.

Ефемеридите са посочените параметри на движението на сателитите. Въз основа на данните от алманаха, GPS приемникът „сканира“ небето и при получаване на данни от спътника усъвършенства ефемеридите си.

За да разберете как GPS навигаторът определя координатите, е необходимо да имате представа за координатната система, в която сателитите се движат, и да определите координатите на крайните потребители.

Наблюдател на Земята може да си представи небесна сфера, проектирана върху равнина, така че центърът да съвпада с местоположението на наблюдателя.

В тази проекция GPS навигаторът показва приблизителното местоположение на сателитите на потребителя (фиг. 3).

Както можете да видите от фигурата (екранна снимка от екрана на GPS навигатора), в полезрението има девет спътника (изображението е направено при включен режим на симулация, т.е. когато навигаторът не улавя сигнали от спътници, а симулира възможни ситуации). В действителност на проекцията на сферата се виждат не повече от осем спътника и сигналите се приемат от максимум четири до шест. Попълнената лента над сателитния номер показва стабилно приемане на сигнала, а височината на лентата ви позволява да оцените качеството на приемане. В момента, в който GPS навигаторът започне да получава информация от сателита, над неговия номер се появява отворен правоъгълник. Той се боядисва при определяне на параметрите на сателитната орбита и началото на събиране на данни, въз основа на които директно се изчисляват координатите на потребителя.

Данните от сателитните системи и параметрите на сателитната орбита се изчисляват спрямо центъра на масата на Земята. Домакинските GPS навигатори използват единна координатна система, най-популярната в системите за гражданска авиация, WGS-84.

Глобалната координатна система WGS-84 се определя, както следва.

Началото на координатите 0 е разположено в центъра на масата на Земята;

ос 0Х - пресичане на равнината на началния меридиан WGS-84 и равнината на екватора;
ос 0Z - насочена към Северния полюс на Земята;
Оста 0Y - допълва системата към дясната координатна система.

Първият меридиан на WGS-84 съвпада с главния меридиан, както е дефинирано от Международното бюро на времето (BIN).

При наличието на сигнал от един спътник (№ 1), известната скорост на разпространение на електромагнитния сигнал в космоса (300 000 km/s) и времето, необходимо на сигнала да достигне GPS приемника, стана възможно да се изчисли геометричното местоположение на точките на приемника на сигнала (те ще бъдат сфера с радиус, равен на разстоянието от спътника до приемника, в центъра на който е сателитът).

Ако GPS навигаторът е започнал да получава сигнали от втория спътник, тогава, подобно на първия случай, около сателит № 2 е изградена сфера. Тъй като GPS приемникът трябва да е едновременно в двете сфери, сега изграждаме пресечната точка на две сфери. Всяка точка от получения кръг може да бъде местоположението на приемника в пространството.

И накрая, когато приемникът вземе сигнала от сателит # 3, се изчертава друга сфера и когато се пресича с окръжността, ни дава две точки. Една от тези точки, като правило, има доста неправдоподобно местоположение и в процеса на изчисляване от алгоритъма тя се отхвърля. Така получаваме резултата: географска ширина и дължина.

Но ако вземем предвид огромната скорост на разпространение на електромагнитна вълна, грешка в изчисленията на хилядни от секундата може да доведе до доста сериозни грешки при изчисляване на разстоянието до спътника и след това при конструиране на сфери и определяне на координати. Така стигнахме до един важен нюанс - четвърти сателит е необходим за правилно определяне на координатите.

След конструирането на трите сфери приемникът започва да манипулира със закъснение във времето. При всяко ново изместване на времето на приемника се изграждат нови сфери, точката на тяхното пресичане се „разпростира“ в триъгълник. Тоест сферите спират да се пресичат и местоположението на GPS приемника с определена вероятност може да бъде във всяка точка в триъгълната област. След това времевите отмествания продължават, докато и трите сфери се пресичат отново в една точка. Получаваме доста точни координати. И колкото повече сателити „вижда“ навигаторът, толкова по-точно можем да коригираме времето с произтичащото увеличение на точността на позициониране. С присъствието на четвъртия сателит започва да работи така наречената 3D навигация и ние сме в състояние да определим височината над морското равнище, скоростта на движение по повърхността и скоростта на вертикалното движение.

Малко за точността. При създаването на системата в нея беше специално въведен така нареченият S/A режим (селективна наличност - ограничен достъп). Този режим е предназначен да предотврати потенциалния враг да даде тактическо предимство при GPS позициониране. Принципът на работа на този режим е изкуственото несъответствие на сателитните и приемни часовници. Следователно, дори при добро приемане на сигнали от няколко спътника, точността не надвишава 100 метра. През 2000 г. обаче този режим беше отменен и официално GPS системата започна да дава възможност за по-точно определяне на координатите. Като правило се посочва точност от 20 ... 30 метра. Използвайки специални алгоритми за последваща обработка, точността може да се увеличи до няколко милиметра, но геодезическите системи могат да направят това. За да работите с такива системи, имате нужда от сертификат и разрешение, а цената им надвишава цената на битовите навигатори десетки пъти.

Точността на определяне на координатите се влияе значително от грешки, възникнали по време на процедурата за измерване. Естеството на тези грешки е различно.

Неточен момент. Въвежда грешка от порядъка на 1 метър.
Грешки при изчисляването на орбитите на спътниците (усъвършенстване на ефемеридите). Въведете грешка от порядъка на 1 метър.
Йоносферни сигнални закъснения. Въведете грешка до 10 метра.
Многопътни отражения от високи сгради и други обекти. Въвежда грешка до 2 метра.
Геометрично разположение на спътниците.
Закъснения на тропосферния сигнал.

Литература

Лекции на доктор на техническите науки Валерий Викторович Конин. http://www.kvantn.com.ua/resourse/All/lections/lect_cont.html
Информация от сайта http://www.datalogger.ru/gps/
Информация от сайта http://www.ixbt.com/mobile/gps.html
Информация на форума на уебсайта http://www.gpsinfo.ru/
Информация от сайта http://www.minsvyaz.ru.

Ако забележите някакви неточности в статията (липсващи фигури, таблици, ненадеждна информация и т.н.), моля, уведомете ни за това. Моля, предоставете линк към страницата и описание на проблема.