Navstar GPS — cпутниковая система навигации, часто именуемая GPS. Позволяет в любом месте Земли (включая приполярные области), почти при любой погоде, а также в космическом пространстве вблизи планеты определить местоположение и скорость объектов. Система разработана, реализована и эксплуатируется Министерством обороны США. Основной принцип использования системы — определение местоположения путём измерения расстояний до объекта от точек с известными координатами — спутников. Расстояние вычисляется по времени задержки распространения сигнала от посылки его спутником до приёма антенной GPS-приёмника. То есть, для определения трёхмерных координат GPS-приёмнику нужно знать расстояние до трёх спутников и время GPS системы. Таким образом, для определения координат и высоты приёмника, используются сигналы как минимум с четырёх спутников.

Основой системы являются навигационные спутники, движущиеся вокруг Земли по 6 круговым орбитальным траекториям (по 4 спутника в каждой), на высоте примерно 20180 км. Спутники излучают сигналы в диапазонах: L1=1575,42 МГц и L2=1227,60 МГц, последние модели также на L5=1176,45 МГц . Навигационная информация может быть принята антенной (обычно в условиях прямой видимости спутников) и обработана при помощи GPS-приёмника. Информация в C/A коде (стандартной точности), передаваемая с помощью L1, распространяется свободно, бесплатно, без ограничений на использование. Военное применение (точность на порядок выше) обеспечивается зашифрованным P(Y) кодом. 24 спутника обеспечивают 100 % работоспособность системы в любой точке земного шара, но не всегда могут обеспечить уверенный приём и хороший расчёт позиции. Поэтому, для увеличения точности позиции и резерва на случай сбоев, общее число спутников на орбите поддерживается в большем количестве (31 штука в сентябре 2007 года). Максимальное возможное число одновременно работающих спутников в системе NAVSTAR ограничено 32.

Стоимость поддержания системы в работе около 400 миллионов долларов в год, включая стоимость замены старых спутников. Первая группировка спутников была выведена на орбиту до 14 февраля 1989 года.

У GPS-ресивера нет точных часов, но должны быть часы с хорошей стабильностью хода в течение короткого времени, а также возможность получить сигналы с минимум четырех спутников, для определения своей широты, долготы и уровня над морем в определенное время. Ресивер калькулирует расстояние до каждого из четырех спутников путем расчета разницы во времени между сигналами спутника и местным временем. Это расстояние называется «псевдодальность». Местоположение спутника определяется сравнением его сигнала с внутренней базой данных. Ресивер должен быть расположен в месте пересечения четырех сигналов с радиусом, который равен одинаковой задержке времени между спутником и ресивером, помноженной на скорость радио сигнала. Но у ресивера нет точных часов и он не может знать задержку времени. Но тем не менее он может измерять очень точно разницу между получениями сигналов. Необходимо знать три гиперболоиды вращений двух частей, чья точка пересечения дает точную информацию о положении ресивера. Поэтому минимум четыре спутника необходимо для определения своего положения. Менее трех спутников дают 2гиперболоиды и точка их пересечения неточна, поскольку неизвестен уровень над морем. Если он известен, то тогда трех сигналов достаточно для определения местоположения. Оно расчитывается по двум гиперболоидам и элипсоидом Земли на определенной высоте.

Если n > 4спутников, n-1 гиперболоиды(в идеальном случае) пересекается в одной точке. В реальности поверхности редко пересекаются по разным причинам. Вопрос нахождения точки Р может быть сформулирован иначе как поиск трех координат, а также количества n от r(i), где все i, PS(i)-r(i) близки к нулю и разные r(i)-r(j) близки к С. Delta(ij) где C скорость света, и Delta(ij) это время между сигналами i и j . Например, метод наименьших квадратов может быть использован как оптимальное решение. На практике, GPS калькуляции более комплексные…

Несколько примеров: Местное время неизвестно по причине отсутствия точных часов в ресивере. Радио сигналы проходят через ионосферу медленнее, а ресивер может двигаться(например, в автомобиле). Для предотвращения неточностей, ресивер берет за начало отсчета местное время так, чтобы сферы пересеклись в одной точке. Как только местоположение получено примерно, программный метод проводит задержку в ионосфере математическим способом, которая минимальна, если спутник находится прямо над головой или дальше от горизонта, поскольку сигнал проходит больший слой ионосферы. Поскольку автомобильные приемники двигаются, они определяют сферы сигнала как линейный сигмент. В приемнике расположена математическая модель, которая расчитывает подобное влияние. Также спутники передают некоторую информацию, которая помогает приемникам расчитывать правильную скорость распространения сигнала. Высококачественные ресиверы, которые используются в приборах CARMAN i , используют две частоты L1 и L2 для атмосферных задержек сигналов. Поскольку ионосфера воздействует на скорость распространения радио волн в зависимости от их частоты, то большинство современных ресиверов двухчастотны.

Для того, чтобы расчитать задержку между спутником и приемником, спутник посылает 1,023битный сигнал в псевдо произвольном порядке. Ресивер знает порядок сигнала , конструирует идентичный сигнал и контролирует его до тех пор, пока два сигнала не повторятся. Разные спутники используют разный порядок сигнала, что позволяет всем им передавать сигналы на одной частоте, а приемник может по типу сигнала понять, какой спутник его передает. Этот принцим называется Code Division Multiple Access(CDMA) и часто используется в сотовой связи. Используются две частоты : 1575,42МГц(равна L1) и 1227,60МГц(L2). L1 несет в себе код, доступный всем, с грубыми данными(С/А) так же как и код Р(Y). Сигнал L2 обычно только несет в себе код Р(Y). Ключи, которые сипользуют коды Р(Y) являются государственной тайной правительства США и используются только в военных целях. Ключи, которые не имеют доступа к Р(Y) не используются обычными автомобильными навигационными приемниками, хотя некоторые производители GPS приемников сделали раскодировщики этих кодов для очень точного определения и удаления влияния ионосферы.

Еще один нюанс в том, что атомные часы на борту спутников настроены на «время GPS», которое отсчитывается с первых секунд полночи 5 января 1980года. Они идут вперед по сравнению с «Всеобщим Скоординированным Временем», поскольку не считают «скачущих секунд». Ресиверы корректируют время, фактор которого время от времени передается с данными, и определяют местное время, а затем выводят его на дисплей. Часы на спутниках принимают во внимание разные факторы и идут медленнее если бы они шли на поверхности Земли. Это вызывает разницу в 38 микросекунд в день, которая корректируется электронно на каждом спутнике. Такой зазор является явным доказательством относительности реального времени на Земле, как это было предсказано Эйнштейном, в рамках экспериментальной аккуратности.

В идеальном случае, GPS ресиверы могли бы легко конвертировать С/А и Р(Y)-коды измерения в аккуратность местоположения. Но в реальности на систему влияет много факторов. Вот несколько примеров. Часы: и GPS спутники и ресиверы имеют погрешность во времени. Спутники часто имеют цезиумные атомные часы и наземные станции проверяют правильно ли идет время на спутниках. Погрешность ресивера остается неизвестной и часто зависит от осциллятора, который находится внутри. Но данная ошибка может быть исправлена, если ресивер получает сигнал минимум четырех спутников. Ионосфера: это самая большая причина ошибок. Скорость света изменяется в зависимости от атмосферы. В результате получается ошибка на больше чем 10 метров. Для компенсации таких ошибок используется вторая частота L2. Путем сравнения разницы между сигналами L1 и L2 калькулируется и решается ошибка ионосферы. Мультидоступ: Антенна GPS получает не только GPS сигналы, но и отраженные от земли или других объектов(зданий, стен, гор и т.д.) радио сигналы. В течение некоторого времени ресивер фильтрует сигналы. Для укорачивания времени фильтрации используются специальные антенны. Особенно отраженные от земли сигналы очень похожи на реальные и могут сильно влиять на точность. Недоступность: в прошлом сигналы спутников кодировались и искажались искусственно, и были доступны только военным США, поскольку использовались для нужд государства. Однако 1 Мая 2000года президент США Бил Клинтон анонсировал отмену искажения сигналов. Поэтому сейчас все владельцы ресиверов могут использовать сигналы спутников с точностью определения координат менее чем 20 метров.

Аккуратность GPS сигналов может быть увеличена несколькими методами: 1) Использование сети наземных станций. Станции передают информацию о разнице измеренной и реальной псевдодальности и ресиверы могут корректировать информацию по их сигналам. Этот метод называется Differential GPS (DGPS). Он дает увеличение точности на 5-10метров. Система DGPS разработана и используется морскими ведомствами Дании и Швеции для контроля территории на прилегающих к этим странам архипелагах. 2) Использовании системы наведения EDGE(Exploitation of DGPS for Guidance Enhancement) для DGPS, которая используется для высокоточного оружия, например JDAM. 3) Использование системы Wide-Area Augmentation System(WAAS), которая состоит из наземных станций, калькулирующих коррекцию GPS сигналов и передающих их ряд спутников на геосинхронных орбитах для передачи их на GPS ресиверы, включая информацию о задержках в ионосфере, погрешности индивидуальных часов спутников и т.д. На сегодняшний момент существует только несколько спутников WAAS, которые передают информацию на ограниченное число высокоточных ресиверов для авиации, например при посадке самолета в условиях плохой или отсутсвия видимости. Система WAAS сейчас работает только в Северной Америке, где есть соответствующие станции, причем только на западном и восточном побережье США. Однако варианты такой системы разрабатываются в Европе(EGNOS-Euro Geostationary Navigation Overlay Service) и в Японии(MSAS-Multi-Functional Satellite Augmentation System), которые идентичны WAAS. 4) Приминение Локальной Системы Корректировки(LAAS). Она аналогична WAAS, но передача данных идет из локального источника, например, аэропорта и т.д. Такая корректировка полезна на небольших расстояниях от 30 до 50километров от передатчика. 5) Применение системы Wide Range GPS Enhacement(WAGE) как попытка улучшения точности хода атомных бортовых часов и отправка эфемерных орбитальных данных для специальных ресиверов. 6) Относительное Кинематическое Позиционирование(RKP). Приведение аккуратности получения сигналов к погрешности менее 10сантиметров. Это достигается за счет цикличности сигналов, которые отправляются и принимаются ресивером.

Военное применение сигналов GPS позволяет улучшать контроль вооруженных сил посредством точного наведения оружия или армии на цель. Спутники также несут на борту детекторы ядерной детонации. Но также системой могут пользоваться все желающие. Низкая цена производства GPS приемников(20-200долларов США) привело к их широкому распространению в авиации, мореплавании и автомобилестроении. Система используется на машинах, которые контролируются компьютерами(например комбайны, трактора и т.д.) Портативные приемники используют альпинисты, грибники, охотники и т.д.

Хотя с 1 Мая 2000года сигналами GPS могут пользоваться все желающие, возможное частичное кодирование, глушение или изменение сигнала в определенном месте, например, в зоне войны во имя военных целей, что не позволяет использовать систему в полной мере. Поэтому европейцы разрабатывают свою собственную систему позиционирования GALILEО, а Россия имеет свою собственную систему GLONASS, которая насчитывает 12 спутников.

Военные(и некоторые гражданские) пользователи пока могут пользоваться некоторыми техническими преимуществами, которые дают быстрое определение сигнала и повышенную аккуратность. Аккуратность как правило создается за счет двухчастотного приемника, которые определяют задержку сигнала в ионосфере. Коммерческие ресиверы также имеют погрешность в определении высоты над уровнеми морем, что делает их невозможным для использования в крылатых и баллистических ракетах. Многие синхронизирующие системы используют GPS как источник аккуратного времени для генераторов кодов или NTP часов. Например, датчики детонации, которые используются в сейсмологии, оснащены GPS приемниками, которые дают возможность определения точного времени записи о катаклизме и т.д.

Многие системы вооружений, например «умные бомбы» или высокоточное оружие используют GPS сигналы. Соответственно возникло производство глушилок GPS сигналов. Их размер равен сигаретной пачке. Американцы уверены в использовании таких глушилок во время их операции в Афганистане. Некоторые глушилки используются для отвлечения наведения высокоточного оружия от важных целей.

Разработчики GPS стали учеными 2003 года, получив престижную премию — Звезду Национальной Академии Инжиниринга. Инженеры Массачусетского Института Технологии сделали базис системы GPS, создав во время Второй Мировой Войны систему LORAN(Long-range Radio Aid to Navigation). Непосредственно разработкой системы руководил Бретфорд Паркинсон, профессор аэронавтики и астронавтики в Стенфорде. В феврале 1993года Национальная Ассоциация Аэронавтики США присудила Приз Роберта Коллиера команде, работавшей над системой GPS. В проекте также участвовали ученые из Лаборатории Морских Разработок, Аэрокосмической корпорации, компании Рокуэл и IBM Federal Systems.

Предшественниками системы GPS были системы LORAN и OMEGA , в которых использовались длинноволновые радиопередатчики. Радио импульс передавался от главной станции на второстепенные. Задержка сигнала строго контролировалась. Ресивер сравнивал задержку между получением и отправкой сигнала. По расстоянию и расчитывалось местоположение объекта.

Первой спутниковой навигацией встала система Transit, запущенная в 60-х годах в США. Она работала на принципе «эффекта Доплера». Спутники вращались по известным орбитам и передавали сигналы на известной частоте. Частота, на которой велась передача, отличалась от частоты, на которой работал прием по причине движения спутника относительно ревисера. Узнав разницу в частоте и зная орбиту спутника, ресивер мог определить свое примерное местоположение.

Современные системы более точны. Спутники передают сигнал, в котором есть информация о положении спутника и времени передачи сигнала. С помощью атомных часов работа всей группировки спутников четко синхронизирована. Ресивер сравнивает время передачи сообщения и время его получения, ориентируясь на свои внутренние часы. Эти измерения сравниваются с сигналами несколькихз спутников и определяется точное местоположение ресивера в режиме реального времени.

При каждом измерении ресивер как бы помещается в сферическую ячейку по измеряемой дистанции до спутника. Поскольку спутник изменяет свое местоположение дло того, как ресивер получит сигнал, который в свою очередь замедляется при движении сквозь ионосферу, проводятся комплексные калькуляции. Базовый расчет проводится для поиска кротчайшей линии четырех сферических ячеек. Постоянно на орбите в 20000 км от Земли с уклоном в 55градусов находятся от 24 до 27 спутников, поскольку старые все время заменяются на новые.