GPS (Global Positioning System)

Материал из Национальной библиотеки им. Н. Э. Баумана
Последнее изменение этой страницы: 15:37, 28 июля 2017.
Global Positioning System
NAVSTAR GPS logo.png

Country/ies of origin United States
Operator(s) AFSPC
Type Military, civilian
Status Operational
Coverage Global
Accuracy 5 meters
Constellation size
Total satellites 32
Satellites in orbit 31
First launch February 1978; 41 years ago (1978-02)
Total launches 72
Orbital characteristics
Regime(s) 6x MEO planes
Orbital height 20,180 km (12,540 mi)
Website http://www.gps.gov/

GPS (англ. Global Positioning System — система глобального позиционирования) — спутниковая система навигации, обеспечивающая измерение расстояния, времени и определяющая местоположение во всемирной системе координат WGS 84. Позволяет в любом месте Земли (исключая приполярные области), почти при любой погоде, а также в околоземном космическом пространстве определять местоположение и скорость объектов. Система разработана, реализована и эксплуатируется Министерством обороны США, при этом в настоящее время доступна для использования для гражданских целей — нужен только навигатор или другой аппарат (например, смартфон) с GPS-приёмником.

История

Перед разработкой GPS - навигационные системы наземного базирования, такие как LORAN (Long Range Navigation) от U.S. и Decca Navigator System от U.K., являются основными технологиями навигации. Обе эти технологии основаны на радиоволнах, а диапазоны ограничены несколькими сотнями километров. В начале 1960-х годов три правительственные организации Соединенных Штатов, а именно Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА), Министерство обороны и Департамент транспорта вместе с несколькими другими организациями, начали разработку спутниковой навигационной системы с целью обеспечения высокой точности, независимую от погоды работу и глобальный охват. Эта программа развивалась в навигационной спутниковой синхронизации и ранжировании глобальной системы позиционирования (Глобальная система позиционирования NAVSTAR). Эта система была впервые разработана как военная система для удовлетворения потребностей вооруженных сил Соединенных Штатов. Вооруженные силы США использовали NAVSTAR для навигации, а также системы таргетинга системы оружия и системы управления ракетами.GPS-Constellation.jpg

Возможность врагов, использующих эту навигационную систему против Соединенных Штатов, является основной причиной, по которой гражданские лица не получили доступа к ней. Первый спутник NAVSTAR был запущен в 1978 году, и к 1994 году на орбите было установлено полное созвездие из 24 спутников и, таким образом, стало полностью работоспособным.В 1996 году правительство США признало важность GPS для гражданских лиц и объявило систему двойного использования, обеспечив доступ как к военным, так и к гражданским лицам.[Источник 1]

Cтруктура GPS

Основной метод спутниковой навигационной системы Global Positioning System (GPS) - это измерение расстояний между приемником и несколькими спутниками, которые одновременно наблюдаются. Положения этих спутников уже известны и, следовательно, путем измерения расстояния между четырьмя из этих спутников и приемником могут быть установлены три координаты положения приемника GPS, то есть широта, долгота и высота. Поскольку изменение положения приемника можно определить очень точно, можно также определить скорость приемника.[Источник 2]

Сегменты GPS

Структура этого комплекса Глобальная система позиционирования разделена на три основных сегмента: Космический сегмент, Контрольный сегмент и Пользовательский сегмент. В этом сегменте управления и космическом сегменте разрабатываются, эксплуатируются и поддерживаются ВВС США. На следующем рисунке показаны три сегмента системы GPS. GPS-Segments.jpg

Космический сегмент

Космический сегмент GPS состоит из созвездия из 24 спутников, которые вращаются вокруг Земли примерно на круговых орбитах. Спутники размещены в шести орбитальных плоскостях с каждой орбитальной плоскостью, состоящей из четырех спутников. Наклон плоскостей орбит и расположение спутников устроены таким образом, что минимум шесть спутников всегда находятся в прямой видимости из любого места на Земле. Приступая к расположению созвездия в космосе, спутники GPS помещаются на Среднеземную орбиту на высоте около 20 000 км. Чтобы увеличить избыточность и повысить точность, общее количество спутников GPS в созвездии увеличено до 32, из которых 31 спутник работает.

Контрольный сегмент

Контрольный сегмент GPS состоит из сети всемирных станций мониторинга и контроля и отслеживания. Основная задача контрольного сегмента - отслеживать положение спутников GPS и поддерживать их на правильных орбитах с помощью команд маневрирования помощи. Кроме того, система управления также определяет и поддерживает целостность бортовой системы, атмосферные условия, данные от атомных часов и другие параметры. Сегмент управления GPS снова разделен на четыре подсистемы: Новая контрольная станция (NMCS), Альтернативная станция управления (AMCS), четыре наземные антенны (GA) и всемирная сеть станций мониторинга (MS). GPS-Master-Control-Station.jpg

Центральным узлом управления спутниковым созвездием GPS является Станция главного управления (MSC), он расположен на авиабазе Шрайвер, штат Колорадо, и работает 24 × 7. Основными обязанностями Главной контрольной станции являются: Обслуживание спутников, Мониторинг полезной нагрузки, синхронизация атомных часов, Маневрирование спутников, Управление эффективностью сигнала GPS, загрузка данных навигационных сообщений, обнаружение сбоев сигнализации GPS и реагирование на эти сбои. Существует несколько станций мониторинга (MS), но шесть из них важны. Они расположены на Гавайях, Колорадо-Спрингс, Остров Вознесения, Диего-Гарсия, Кваджалейн и мыс Канаверал. Эти мониторинговые станции непрерывно отслеживают положение спутников, и данные отправляются на станцию ​​главного управления для дальнейшего анализа. Для передачи данных на спутники есть четыре наземных антенны (GA), которые расположены как остров Вознесения, мыса Канаверал, Диего Гарсия и Кваджалейн. Эти антенны используются для восходящей передачи данных на спутники, и данные могут быть такими, как коррекция часов, команды телеметрии и навигационные сообщения.

Пользовательский сегмент

Пользовательский сегмент системы GPS состоит из конечных пользователей технологии, таких как гражданские и военные для навигации, точного или стандартного позиционирования и времени. Как правило, для доступа к услугам GPS пользователь должен быть оснащен GPS-приемниками, такими как автономные GPS-модули, мобильные телефоны, которые оснащены GPS и специализированными GPS-консолями. GPS-Receivers.jpg

С помощью этих GPS-приемников гражданские пользователи могут знать стандартную позицию, точное время и скорость, в то время как военные используют их для точного позиционирования, руководства по ракете, навигации.

Принцип работы GPS

С помощью GPS-приемников мы можем рассчитать положение объекта в любом месте Земли либо в двумерном, либо в трехмерном пространстве. Для этого приемники GPS используют математический метод Trilateration, метод, с помощью которого положение объекта можно определить, измеряя расстояние между объектом и несколькими другими объектами с уже известными позициями. Таким образом, в случае GPS-приемников, чтобы узнать местоположение приемника, модуль приемника должен знать следующие две вещи:

  • Расположение спутников в пространстве
  • Расстояние между спутниками и GPS-приемником

Определение местоположения спутников

Чтобы определить местоположение спутников, GPS-приемники используют два типа данных, передаваемых спутниками GPS: данные Альманаха и данные эфемерид. Спутники GPS непрерывно передают свое приблизительное положение. Эти данные называются данными Альманаха, которые периодически обновляются, когда спутник перемещается по орбите. Эти данные принимаются приемником GPS и сохраняются в его памяти. С помощью данных Альманаха GPS-приемник может определять орбиты спутников, а также, где предполагается спутник. Условия в пространстве не могут быть предсказаны, и есть огромный шанс, что спутники могут отклониться от своего фактического пути. Станция главного управления (MCS) вместе со специализированными Станциями мониторинга (MS) отслеживает путь спутников наряду с другой информацией, такой как высота, скорость, орбита и местоположение. Если в любом из параметров есть какая-либо ошибка, скорректированные данные отправляются на спутники, чтобы они оставались в точном положении. Эти орбитальные данные, отправленные MCS на спутник, называются Ephemeris Data. Спутник, получив эти данные, исправляет свое положение и также отправляет эти данные в приемник GPS. С помощью как данных, таких как Альманак и Эфемерис, GPS-приемник может постоянно знать точное местоположение спутников. Для измерения расстояния между GPS-приемником и спутниками время играет важную роль. Формула для расчета расстояния спутника от GPS-приемника приведена ниже: Расстояние = скорость света х время пути спутникового сигнала Здесь время пути спутникового сигнала - это время, принимаемое спутниковым сигналом (сигнал в виде радиоволн , Отправленный спутником в GPS-приемник), чтобы добраться до приемника. Скорость света является постоянным значением и равна C = 3 · 108 м / с. Чтобы рассчитать время, сначала нам нужно понять сигнал, отправленный спутником. Транскодированный сигнал, передаваемый спутником, называется псевдослучайным шумом (PRN). Поскольку спутник генерирует этот код и начинает передачу, GPS-приемник также начинает генерировать один и тот же код и пытается их синхронизировать. Затем GPS-приемник вычисляет величину временной задержки, которую должен был получить генерируемый кодом приемника, прежде чем синхронизироваться с переданным спутником кодом. GPS-Signal-Time.jpg

Как только местоположение спутников и их расстояние от GPS-приемника известны, то определение местоположения GPS-приемника в 2D пространстве или 3D-пространстве.

Типы GPS-приемников

GPS используется как гражданскими лицами, так и военными. Следовательно, типы GPS-приемника могут быть классифицированы в гражданских GPS-приемниках и военных GPS-приемниках. Но стандартный способ классификации основан на типе кода, который получатель может обнаружить. В принципе, существуют два типа кодов, которые GPS-спутник передает: Кодекс грубой регистрации (C / A Code) и P-Code. Приемные устройства GPS-приемника могут обнаруживать только код C / A. Этот код не является точным, и поэтому гражданская система позиционирования называется службой стандартного позиционирования (SPS). С другой стороны, P-Code используется военными и является очень точным кодом. Система позиционирования, используемая военными, называется Precise Positioning Service (PPS). GPS-приемники могут быть классифицированы на основе способности декодировать эти сигналы. Другой способ классификации коммерчески доступных приемников GPS основан на возможности приема сигналов. Используя этот метод, GPS-приемники можно разделить на:

  • Одночастотные приемники кода
  • Одночастотные несущие - Сглаженные кодовые приемники
  • Одночастотный код и несущие ресиверы
  • Двухчастотные приемники

[Источник 3]

Применение GPS

Несмотря на то, что изначально проект GPS был направлен на военные цели, сегодня GPS широко используются в гражданских целях. GPS-приёмники продают во многих магазинах, торгующих электроникой, их встраивают в мобильные телефоны, смартфоны, наручные электронные часы, КПК и онбордеры. Потребителям также предлагаются различные устройства и программные продукты, позволяющие видеть своё местонахождение на электронной карте; имеющие возможность прокладывать маршруты с учётом дорожных знаков, разрешённых поворотов и даже пробок; искать на карте конкретные дома и улицы, достопримечательности, кафе, больницы, автозаправки и прочие объекты инфраструктуры.

  • Геодезия: с помощью GPS определяются точные координаты точек и границы земельных участков.
  • Картография: GPS используется в гражданской и военной картографии.
  • Навигация: с применением GPS осуществляется как морская, так и дорожная навигация.
  • Спутниковый мониторинг транспорта: с помощью GPS ведётся мониторинг за положением, скоростью автомобилей, контроль за их движением.
  • Сотовая связь: первые мобильные телефоны с GPS появились в 90-х годах. В некоторых странах, например США, это используется для оперативного определения местонахождения человека, звонящего 911. В России в 2010 году начата реализация аналогичного проекта — Эра-глонасс.
  • Тектоника, Тектоника плит: с помощью GPS ведутся наблюдения движений и колебаний плит.
  • Активный отдых: есть разные игры, где применяется GPS, например, геокэшинг и др.
  • Геотегинг: информация, например фотографии, «привязываются» к координатам благодаря встроенным или внешним GPS-приёмникам.[Источник 4]

Приложения GPS стали неотъемлемой частью глобальной инфраструктуры, аналогичной Интернету. GPS является ключевым элементом в разработке широкого спектра приложений, распространяющихся по различным аспектам современной жизни. Увеличение крупномасштабного производства и миниатюризации компонентов привело к снижению стоимости GPS-приемников. Ниже приводится небольшой список приложений, в которых GPS играет важную роль. Современное сельское хозяйство усилило производство с помощью GPS. Фермеры используют технологию GPS вместе с современными электронными устройствами, чтобы получить точную информацию о полевой области, средней урожайности, расходе топлива, пройденном расстоянии и т. Д. В области автомобилей автоматизированные управляемые транспортные средства чаще всего используются в промышленных или потребительских приложениях. GPS позволяет этим транспортным средствам находиться в навигации и позиционировании. Гражданские лица используют GPS-приемники для целей навигации. Приемник GPS может быть выделенным модулем или встроенным модулем в мобильных телефонах и наручных часах. Они очень полезны в походах, дорожных поездках, вождении и т. Д. Дополнительные функции включают точное время и скорость автомобиля. Аварийные службы, такие как пожар и скорая помощь, получают выгоду от точного позиционирования места бедствия с помощью GPS и могут своевременно реагировать. Военные используют высокоточные GPS-приемники для навигации, отслеживания целей, системы управления ракетами.

Источники