Что такое GPS?

"GPS" - это первые буквы английских слов "Global Positioning System" - глобальная система местоопределения. GPS состоит из 24 искуственных спутников Земли, сети наземных станций слежения за ними и неограниченного количества пользовательских приемников-вычислителей. "GPS" предзначенна для определения текущих координат пользователя на поверхности Земли или в околоземном пространстве. Спутники постоянно движутся со скоростью около 3 км/сек, совершая два полных оборота вокруг планеты менее чем за 24 часа. Спутниковая система GPS известна также под другим названием – NAVSTAR. Первый GPS спутник был запущен в феврале 1978 г. Вес каждого спутника около 800 кг, размер более 5 м, включая солнечные батареи. На борту каждого спутника установлены атомные часы, обеспечивающие точность 10-9 сек, вычислительно кодирующее устройство и передатчик мощностью 50 Вт, излучающий на частоте 1575.42 МГц. Каждый спутник рассчитан на работу примерно в течение 10 лет. Новые спутники изготавливаются и запускаются на орбиту по мере необходимости. Орбиты спутников располагаются примерно между 60 градусами северной и южной широты. Этим достигается то, что сигнал хотя бы от некоторых спутников может приниматься повсеместно в любое время. Даже на полюсах можно "увидеть" спутники. Стоимость постройки и запуска 24 спутников - 12 миллиардов долларов.

Что такое GPS приёмник?

GPS приёмник или GPS навигатор – это прибор, позволяющий определить ваше местоположение в любой точке: на суше, на море и в околоземном пространстве. В зависимости от области применения, диапазон которой довольно широк, а также от стоимости, которая может колебаться от сотен до нескольких тысяч долларов, исполнение GPS-приемников также весьма разнообразно. В целом весь спектр моделей можно разделить на четыре большие группы:

Портативные GPS приемники индивидуального применения.Эти модели отличаются малыми габаритами и широким набором сервисных функций: от базовых навигационных, включая возможность формирования и расчета маршрутов следования, до функции приема и передачи электронной почты.
Автомобильные GPS приемники, которые предназначены для установки в любом наземном транспортном средстве и имеют возможность подключения внешней приемо-передающей аппаратуры для автоматической передачи параметров движения на диспетчерские пункты.
Морские GPS приемники, оснащенные ультразвуковым эхолотом, а также дополнительными сменными картриджами с картографической и гидрографической информацией для конкретных береговых районов.
Авиационные GPS приемники, используемые для пилотирования летательных аппаратов, включая коммерческую авиацию.

Какая информация содержится в сигнале GPS?

Сигнал, передаваемый каждым спутником, содержит:

• "псевдослучайный код" (PRN - pseudo-random code);
• эфимерис (ephimeris);
• альманах (almanach).

Псевдослучайный код PRN служит для идентификации передающего спутника. Все они пронумерованы от 1 до 32 и этот номер показывается на экране GPS-приемника во время его работы. Почему же количество PRN-номеров больше, чем число спутников (24)? Это облегчает обслуживание GPS-сети: новый спутник может быть запущен, проверен и введен в эксплуатацию еще до того, как старый выйдет из строя. Такому спутнику просто будет присвоен новый номер (от 1 до 32).

Эфимерис содержит:

• состояние спутника (рабочее или нерабочее),
• текущая дата и время.

Без этого Ваш GPS приемник не знал бы, в частности, какой сегодня день и сколько сейчас времени. Альманах говорит о том, где в течение дня должны находиться все GPS-спутники. Каждый из них передает альманах, содержащий параметры своей орбиты, а также всех других спутников системы. Теперь, если сказать упрощённо, каждый спутник передает сигнал, который, образно говоря, означает следующее: “Я – спутник № Х, сейчас мое положение Y, это сообщение было послано во время Z”. Конечно, это – сильное упрощение, но поможет понять идею. Ваш GPS-приемник получает это сообщение и запоминает эфимерис и альманах для дальнейшего использования. Эта же информация используется для установки или коррекции часов приемника.

Как GPS приёмник определяет координаты?

Для определения местоположения GPS приемник сравнивает время отправки сигнала со спутника со временем его получения на Земле. Эта разница во времени говорит приемнику о расстоянии до конкретного спутника. Если добавить к этому информацию о расстоянии, измеренном до нескольких других спутников, то можно триангулировать свое местоположение. Имея сигналы от минимум трех спутников, он может определить широту и долготу – это называется двумерной фиксацией. Если же спутников четыре или более, то GPS приемник может определить положение в 3-х мерном пространстве, т.е. указать широту, долготу и высоту над уровнем моря. Постоянно отслеживая Ваше местоположение в течение некоторого времени, приемник также может рассчитать скорость и направление Вашего движения.

Как GPS-приемник определяет расстояние до спутников? Поскольку скорость распространения радиосигналов постоянна и равна скорости света, расстояние до спутников определяется по задержке времени приема сообщения GPS-приемником относительно времени отправки сообщения с борта спутника. Конечно, для точного определения этой задержки часы на спутниках и часы в GPS-приемнике должны быть синхронны, что обеспечивается синхронизацией часов приемника по информации, содержащейся, как указывалось выше, в сигналах спутников.

Что влияет на точность определения координат?

Одним из важнейших преимуществ GPS перед существовавшими ранее наземными системами является всепогодность. Независимо от того, для каких целей Вы используете навигацию, GPS приемник готов показать Ваше местоположение - и именно тогда, когда вам это надо. Ранее основным источником погрешностей было наличие, так называемого, режима "ограниченного доступа" SA. В этом режиме в сигналы спутников Министерством обороны США априорно вводилась погрешность, позволяющая определять местоположение с точностью 30 - 100 м, хотя принципиально точность GPS системы гораздо выше. С 1 мая 2000 года режим "ограниченного доступа" был отключён.

Другим фактором, влияющим на точность GPS, является геометрия спутников. Понятие “геометрия спутников” означает то, как они расположены относительно друг друга и GPS-приемника. Если, например, приемник “видит” четыре спутника и все четыре расположены в северном и западном направлениях, то спутниковая геометрия скорее плохая. Причем вплоть до того, что приемник вообще не сможет определить местоположение. Почему? Потому что все расстояния, измеренные до спутников, будут лежать в одном глобальном направлении. Это означает, что триангуляция будет плохой и что область пересечения построенных прямых будет довольно большой (т.е. область вероятного положения будет занимать значительное пространство и точно указать координаты невозможно). В этом случае, даже если приемник выдает некоторые значения координат, их точность не будет достаточно хороша (возможно, 100 – 150 м).

Если же эти четыре спутника будут находиться в разных направлениях, то точность значительно возрастет. Геометрия спутников становится особенно важной при использовании GPS приемника в автомобиле, среди высоких зданий, в горах или в глубоких ущельях. Если сигналы от некоторых спутников оказываются экранированы, то точность определения местоположения будет зависеть от оставшихся “видимыми” спутников (а от их количества – возможность провести расчеты вообще). Чем большая часть неба заслонена искусственными или естественными предметами, тем более сложно определить положение.

Другим источником ошибок является переотражение спутникового сигнала от различных объектов. (В быту мы встречаемся с эти явлением в виде появления раздвоенного изображения на экране телевизора.) В случае GPS переотражение возникает при взаимодействии сигнала со зданиями или рельефом местности до того, как он достигнет приемной антенны. Такому сигналу требуется больше времени для достижения приемника, чем прямому. Это увеличение времени заставляет приемник считать, что спутник находится на большем расстоянии, чем на самом деле и это увеличивает ошибку при определении положения. Такие переотражения, если происходят, то могут добавить около 5 м в общую ошибку.