Абревіатура GPS у даний час на вустах практично у кожного користувача мобільного телефону, але не кожен розуміє, що це таке і як працює. Даний матеріал допоможе розібратися, що таке GPS навігація і як вона працює!? Почнемо з історії та мети створення системи глобального позиціонування GPS.
Навігаційна система Global Positioning System (GPS) є частиною комплексу NAVSTAR, який розроблений, реалізований і експлуатується Міністерством оборони США. Розробка комплексу NAVSTAR (NAVigation Satellites providing Time And Range - навігаційна система визначення часу і дальності) була розпочата ще в 1973 році, а вже 22 лютого 1978 був проведений перший тестовий запуск комплексу, а в березні 1978 року комплекс NAVSTAR почали експлуатувати. Перший тестовий супутник був виведений на орбіту 14 липня 1974 року, а останній з 24 необхідних для повного покриття земної поверхні супутників, був виведений на орбіту у 1993 році. Цивільний сегмент військової супутникової мережі NAVSTAR прийнято називати абревіатурою GPS, комерційна експлуатація системи у сьогоднішньому вигляді почалася в 1995 році.
Більше 20-ти років пройшло з моменту тестового запуску системи GPS і 5-ти років з моменту початку комерційної експлуатації Глобальної системи позиціонування GPS, 1 травня 2000 року міністерство оборони США скасувало особливі умови користування системою GPS, яка існувала до тих пір. Американські військові вимкнули перешкоду (SA - selective availability), яка штучно зменшувала точність цивільних GPS приймачів, після чого точність визначення координат за допомогою побутових навігаторів зросла як мінімум в 5 разів. Після скасування американцями режиму селективного доступу, точність визначення координат за допомогою найпростішого цивільного GPS навігатора становить від 5 до 20 метрів (висота визначається з точністю до 10 метрів) і залежить від умов прийому сигналів у конкретній точці, кількості видимих супутників та ряду інших причин. Наведені цифри відповідають одночасному прийому сигналу з 6-8 супутників. Більшість сучасних GPS приймачів мають 12-канальний приймач, що дає можливість одночасно обробляти інформацію від 12 супутників. Військове застосування навігації на базі NAVSTAR забезпечує точність на порядок вищу (до кількох міліметрів) і забезпечується зашифрованим P(Y) кодом. Інформація в C/A коді (стандартної точності), що передається за допомогою L1, поширюється вільно, безкоштовно, без обмежень на використання.
Основою системи GPS є навігаційні супутники, що рухаються навколо Землі по 6 круговим орбітальним траєкторіям (по 4 супутники у кожній), на висоті 20180 км. Супутники GPS обертаються навколо Землі за 12 годин, їх вага на орбіті становить близько 840 кг, розміри - 1.52 м. у ширину і 5.33 м. у довжину, включаючи сонячні панелі, що виробляють потужність 800 Вт. 24 супутники забезпечують 100% працездатність системи навігації GPS у будь-якій точці земної кулі. Максимально можливе число одночасно працюючих супутників у системі NAVSTAR обмежено числом 37. На даний момент на орбіті перебуває 32 супутника, 24 основних і 8 резервних на випадок збоїв.
Стеження за орбітальною групою здійснюється з головної керуючої станції (Master Control Station - MCS), що знаходиться на базі ВПС Шрівер, шт. Колорадо, США. З неї здійснюється управління системою навігації GPS у світовому масштабі. База ВПС Шрівер (Schriever) є місцем розміщення 50-го космічного з'єднання США - підрозділу командування повітряно-космічних сил.
Наземна частина системи GPS складається з десяти станцій спостереження, які знаходяться на островах Кваджалейн і Гаваях у Тихому океані, на острові Вознесіння, на острові Дієго-Гарсія в Індійському океані, а також в Колорадо-Спрінгс, на мисі Канаверел, шт. Флорида і т.д.. Кількість наземних станцій безперервно зростає, на всіх станціях спостереження використовуються приймачі GPS для пасивного спостереження за навігаційними сигналами усіх супутників. Інформація зі станцій спостереження обробляється на головній керуючій станції MCS і використовується для оновлення ефемеріс супутників. Завантаження навігаційних даних, що складаються з прогнозованих орбіт і поправок годин, проводиться для кожного супутника кожні 24 години.
Основою ідеї визначення координат GPS-приймача є обчислення відстані від нього до кількох супутників, розташування яких вважається відомим. Визначення місця розташування GPS-приймача у просторі здійснюється на базі алгоритму вимірювання відстані від точки спостереження до супутника. Дальнометрія заснована на обчисленні відстані по часовій затримці поширення радіосигналу від супутника до приймача. Якщо знати час поширення радіосигналу, то пройдений ним шлях легко обчислити. Приймачі працюють у пасивному режимі і обчислюють свої координати, але це зовсім не означає, що координати GPS-приймача будуть відомі кому небудь, крім його власника. Кожен супутник системи GPS безперервно генерує радіохвилі двох частот - L1=1575.42МГц і L2=1227.60МГц. Кожен GPS-приймач має власний генератор, який працює на тій же частоті і модулюючий сигнал за тим же законом, що і генератор супутника. Таким чином, по часу затримки між однаковими ділянками коду, прийнятого з супутника і згенерованого самостійно, можна обчислити час поширення сигналу, а, отже, і відстань до супутника.
Основна проблема у обчисленні відстані до супутника системи GPS пов'язана з синхронізацією часу на супутнику і у приймачі. Навіть мізерна похибка може привести до величезної помилки у визначенні відстані. Кожен супутник несе на борту високоточний атомний годинник, який вбудувати у звичайний GPS-приймач неможливо. Щоб скоррелювати тимчасову неузгодженість і уникнути величезних помилок у позиціонуванні, в систему GPS введено принцип надмірності для визначення тривимірних координат на поверхні Землі. GPS-приймач використовує сигнали не трьох, а як мінімум чотирьох супутників і на основі допоміжних сигналів вносить необхідні корективи у роботу свого годинника. Крім навігаційних сигналів, супутник безперервно передає різну службову інформацію. GPS-приймач отримує, наприклад, ефемеріси (точні дані про орбіту супутника), прогноз затримки поширення радіосигналу в іоносфері, а також відомості про працездатність супутника (так званий "альманах", який містить оновлювані кожні 12.5 хвилин відомості про стан і орбіти всіх супутників). Ці дані передаються зі швидкістю 50 біт/с на частотах L1 або L2.
Варто відзначити, що сервіс A-GPS полегшує роботу GPS-приймача і прискорює завантаження допоміжних даних (альманах тощо). Сама GPS навігація абсолютно безкоштовна. Сервіс A-GPS у більшості випадків теж безкоштовний, але так як дані передаються через Інтернет, то можливо доведеться платити за трафік. Використання A-GPS зовсім не обов'язкове і GPS навігація можлива і без використання сервісу A-GPS. Не варто плутати GPS навігацію і картографічні сервіси. Система GPS віддає вам ваші точні координати і тільки, а ось нанесення даних на карту та інші зручності це вже справа стороннього програмного забезпечення. Програмне забезпечення для GPS навігації і карти місцевості часто коштують грошей.
Тепер спробуємо наочно і максимально просто пояснити, яким же чином обчислюються координати GPS-приймача. Відстань до навігаційних супутників системи GPS позначимо як А, В і С. Припустимо, що відомо відстань А до одного супутника. У даному випадку координати GPS-приймача визначити не можна, тому що він може знаходиться у будь-якій точці сфери з радіусом А, описаної навколо супутника. Якщо відома віддаленість В приймача від другого супутника, то визначити координати також неможливо - об'єкт знаходиться десь на колі (показане синім кольором), яке є перетином двох сфер. Відома відстань С до третього супутника скорочує невизначеність у координатах до двох точок (позначені червоними крапками). Цього вже достатньо для однозначного визначення координат GPS-приймача. Не дивлячись на те, що ми маємо дві точки з координатами, тільки одна знаходиться на поверхні Землі, а інша, помилкова, буде або глибоко всередині Землі, або дуже високо над її поверхнею. Таким чином, теоретично для тривимірної GPS навігації досить знати відстані від приймача до трьох супутників, але як ми вже говорили GPS-приймач використовує сигнали не трьох, а як мінімум чотирьох супутників і на підставі допоміжних сигналів вносить всі необхідні корективи для підвищення точності навігації.
Сьогодні область застосування системи глобального позиціонування GPS досить обширна. Все частіше GPS-приймачі вбудовують у мобільні телефони і комунікатори, в автомобілі, годинники і навіть у собачі нашийники. Люди звикають до такого блага як GPS навігація, і пройде зовсім небагато часу як вони вже не зможуть обійтися без неї. Саме тому варто сказати пару слів про недоліки GPS.
Недоліками GPS навігації є те, що за певних умов сигнал може не доходити до GPS-приймача, тому практично неможливо визначити своє точне місцезнаходження у квартирі, всередині залізобетонної будівлі, в підвалі або у тунелі. Робоча частота GPS знаходиться в дециметровому діапазоні радіохвиль, тому рівень прийому сигналу від супутників може погіршитися під щільним листям дерев, у районах з щільною міською забудовою або через велику хмарність, а це позначиться на точності позиціонування. Магнітні бурі і наземні джерела радіовипромінювання теж здатні перешкодити нормальному прийому сигналів GPS. Карти, призначені для GPS навігації, швидко застарівають і можуть бути не точними, тому потрібно вірити не тільки даним від GPS-приймача, але і своїм власним очам. Особливо варто зазначити, що робота глобальної системи навігації GPS повністю залежить від міністерства оборони США і не можна бути впевненим, що у будь-який момент часу США не включить перешкоду (SA - selective availability) або взагалі повністю не відключить цивільний сектор GPS як у окремо взятому регіоні, так і взагалі. Претенденти вже були. Благо, що у GPS є альтернатива у вигляді навігаційних систем ГЛОНАСС (Росія) та Galileo (ЄС), які в перспективі повинні набути широкого поширення. Так само ведеться робота по розробці чіпів навігації, які підтримують одразу три системи позиціонування GPS, Galileo і ГЛОНАСС.
Джерело: stariy.com
