Спутниковая навигационная система GPS (Global Positioning System) или Глобальная система позиционирования (местоопределения), точнее — ее космический сегмент, представляет собой созвездие из 24 спутников. Система GPS (официальное название — NAVSTAR) разработана по заказу и находится под управлением Министерства обороны США. В 1980-х систему открыли для гражданского использования. Система GPS работает при любых погодных условиях по всему миру 24 часа в сутки. 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. Все, что нужно для пользования системой GPS — это приобрести GPS-приемник.

Как работает система GPS

Спутники GPS вращаются вокруг Земли по круговым орбитам с частотой 2 оборота в сутки, передавая навигационные радиосигналы. GPS-приемники принимают эти сигналы и вычисляют местоположение методом триангуляции. Приемник сравнивает время излучения сигнала с временем приема этого сигнала. Разность между этими величинами позволяет вычислить расстояние до спутника. Зная расстояние до нескольких спутников, GPS-приемник может определить свое местоположение и отобразить его на электронной карте.Принимая информацию по крайней мере от трех спутников, GPS-приемник может определить двухмерные координаты пользователя (широту и долготу). «Захватив» четыре и более спутников, прибор может определить трехмерные координаты (широту, долготу и высоту). Определив местоположение пользователя, приемник может вычислить такие величины как скорость, путевой угол, траекторию, пройденное расстояние, расстояние до конечного пункта, время восхода и захода солнца и многое другое.

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 уверенное 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. В среднем, точность GPS-приемников GARMIN 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 улучшают точность определения местоположения GPS-приемниками до 1-3м.

Американская система WAAS уже работает. В настоящее время зона покрытия этой системы — территория Северной Америки. Большое число моделей GPS-приемников GARMIN могут использовать дифпоправку WAAS при вычислении местоположения без какого-либо дополнительного оборудования.

Европейский аналог WAAS — система EGNOS — находится в стадии тестирования. Сигналы от двух ее спутников принимаются на территории Украины. Больше о системе EGNOS Вы можете узнать на сайте Европейского космического агенства по адресу www.esa.int

Точность GPS-приемников, установленных на морских судах, может быть также повышена до 1-5 м путем приема дифференциальных поправок, передаваемых сетью радиомаяков, расположенных на морских побережьях. В США эти маяки находятся в ведении Службы береговой охраны. За прием сигналов DGPS плата не взимается, однако для их использования необходимо приобрести приемник DGPS, например GARMIN GBR 21, и подключить его к GPS-приемнику.

Орбитальная группировка спутников

24 спутника, составляющие космический сегмент системы GPS, вращаются вокруг Земли по круговым орбитам на высоте около 20000 км. Каждый спутник делает два полных оборота менее чем за 24 ч. Спутники движутся со скоростями около 11000 км/ч. Питание спутников GPS обеспечивают солнечные батареи, на борту есть также резервные аккумуляторные батареи. Каждый спутник имеет небольшие ракетные двигатели, предназначенные для коррекции орбитальных траекторий.

Вот еще несколько интересных фактов, имеющих отношение к орбитальной группировке GPS:

• Первый спутник был запущен в 1978 г.
• Число спутников достигло необходимого количества — 24 — в 1994 г.
• Среднее время жизни каждого спутника GPS составляет около 10 лет. В связи с этим по мере необходимости производится замена старых спутников новыми.
• Масса спутника GPS составляет около 900 кг, а его ширина — около 5 м с развернутыми солнечными батареями.
• Мощность передатчика составляет не более 50 Вт.

Структура передаваемых сигналов

Спутники GPS передают два маломощных сигнала на частотах L1 и L2. Гражданские GPS-приемники работают на частоте L1 равной 1575,42 МГц. Прием сигналов возможен только со спутников, находящихся в пределах прямой видимости. Облака, стекло и пластик не являются преградами для сигнала, в то время как большинство плотных объектов, таких как здания, рельеф местности, металлические предметы и люди — являются.

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 (рабочий или нерабочий), а также текущую дату и время. Эта часть сигнала необходима для вычисления местоположения GPS-приемником.

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 ошибки местоопределения

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, таких как высокие здания или скалы 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 «видит» GPS-приемник, тем выше точность. Здания, элементы рельефа, а иногда и густая листва могут препятствовать приему сигналов GPS, приводя к ошибкам в местоопределении или к его невозможности.
• геометрия видимых спутников
  Определяется взаимным расположением спутников в каждый момент времени. Идеальной является такая геометрия спутников, когда углы между направлениями на них большие. Плохой 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 2000г. правительство Соединенных Штатов выключило режим SA, что повысило точность гражданских GPS-приемников со 100 м до 15 м.