Система GPS

Система GPS (Global Positioning System-Система Глобального Позиционирования) используется для определения местоположения объектов на всей поверхности земли с очень высокой координатной точностью и временем, с помощью нескольких спутников, расположенных на промежуточной орбите вокруг Земли. Военные в США называют систему NAVSTAR. Система GPS была создана и управляется Министерством Обороны Соединенных Штатов, но может быть использована любым человеком и абсолютно бесплатно. Система GPS делится на три сегмента: космос, управление и пользователь. Сегмент космоса состоит из спутников, которые осуществляют передачу сигналов GPS. Сегмент управления состоит из наземных станций приема сигнала. Они находятся по всему миру и получают сигнал со спутника, синхронизируя его с атомными часами, которые расположены на спутнике и корректирует передаваемые спутником данные. Сегмент пользователя представляет собой GPS приемник, который используется в военных или гражданских целях. GPS ресивер декодирует сигнал нескольких спутников и калькулирует свое положение путем «трилатерации».

Стоимость поддерживания системы в работе около 400 миллионов долларов США в год, включая стоимость замены старых спутников. Первая группировка спутников, состоящая из 24 GPS спутников(Блок 2), была выведена на орбиту до 14 февраля 1989года. Пятидесятый спутник с момента первого запуска в 1978году был запущен 21 Марта 2004года с помощью ракеты-носителя Дельта 2. В настоящее время группировка спутников также насчитывает 24штуки, которые расположены на шести орбитальных планах. Спутники производятся компанией Rockwell; первый был запущен в 1978году(Блок 1) и последний в 1994году. Каждый спутник совержает два витка вокруг Земли в день на орбите 20тысяч километров от Земли. На каждом расположены атомные часы и они постоянно передают специальные сигналы со временем на своих часах, а также персональную информацию о своем положении, чтобы они могли быть обнаружены наземными станциями.

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 определние 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 пересеклитсь 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, ступник 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 ачстота 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 могуть сильно влиять на точность. Недоступность: в прошлом сигналы спутников кодировались и искажались искусственно, и были доступны только военным США, поскольку использовались для нужд государства только. 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 20метров.

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(100-200долларов 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, не позволяет использовать систему в полной мере. Поэтому европейцы разрабатывают свою собственную систему позиционирования GALILEО, а Россия имеет свою собственную систему ГЛОНАСС, 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 ситемы 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 умпульс 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». Ступники 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 знаю 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.

Система ГЛОНАСС

Глобальная Навигационная Спутниковая Система состоит разработана в начале 80-х годов и принадлежит Российским Аэрокосмическим Силам. На пике своей эффективности система гарантировала аккуратность измерения местоположения в 55метров по горизонтали и 70метров по вертикали в общедоступном стандарте С/А. Точный сигнал (Р) доступен только для военных нужд.

Группировка ступников состоит из 24штук. Из них 21 работают на трех орбитальных планах и 3 находятся в законсервированном состоянии, чтобы заменить те, которые вышли из строя. Каждый орбитальный план состоит из 8 спутников, которых объединяет номер «слота»: 1-8, 9-16, 17-24. Планы отделены друг от друга на 120градусов и каждый спутник на 45градусов друг от друга. Орбиты спутников ГЛОНАСС почти круглые с наклоном в 34,8градуса и удалены от Земли на 19100км, т.е. находятся ниже спутников GPS. Каждый спутник совершает круг вокруг Земли за 11часов 15минут. Спутники расположены так, что минимум пять сигналов может быть принято ресивером.

Все спутники были запущены с космодрома Тюратам в Казахстане. Первые три в октябре 1982года. Прием первых сигналов начался в декабре 1983года. Полностью система должна была начать функционирование в 1991году, но реально заработала только в сентябре 1993года. Посное укомплектование спутниками произошло только в декабре 1995года.

Для системы ГЛОНАСС характерен повтор орбит спутниками каждые 8дней. Поскольку каждый план состоит из 8 ступников, каждый из них занимает место предыдущего через несколько дней. GPS такой принцип не использует.

В связи с плохим финансированием программы к апрелю 2002года на орбите осталось только 8 работающих спутников, что сделало их использование неприемлимым. Сейчас разрабатывается новая программа ГЛОНАСС-М. В марте 2004года ступников на орбите стало 12 и полностью система начнет работу к 2007году.

Система GALILEO

Решение о начале развития системы GALILEO было принято 26 мая 2003года совместно Европейским Союзом и Европейским Аэрокосмическим Агенством. Система предназначена только для гражданского использования, в отличие от системы GPS, котороая принадлежит военным США, и они оставляют за собой право частично загрублять сигнал или вовсе его отключать когда им заблагорасудится.

Однако развитию системы GALILEO мешают разногласия европейских стран в финансировании программы. Например, Франция активно поддерживает ее развитие, что означает для этой страны независимость от технологий США. Другие страны считают, что выгоднее использовать бесплатно систему GPS. Начальные капиталовложения в систему GALILEO насчитывают около 1,1миллиарда Евро. По плану на орбиту должно быть выведено около 30спутников в период 2006-2008годов. Полностью программа должна обойтись Европейским странам в 3миллиарда Евро, включая стоимость инфраструктуры на Земле. Две трети капиталовложений будут сделаны частными компаниями и инвесторами, а одна треть Европейским Союзом и Европейским Аэрокосмическим Агенством. Планируется, что система будет бесплатна для всех, но точные сигналы будут передаваться за деньги.

В сентябре 2003 Китай также присоединился к системе GALILEO и инвестирует 296миллионов долларов в проект в течение 2004-2005годов. В июле 2004года партнером GALILEO стал Израиль.