GPS-навигация система NAVSTAR GPS (NAVigation Satellite Timing And Ranging Global Positioning System) состоит из трех частей или сегментов : космического, наземного и пользовательского оборудования.
Как устроена и как работает GPS-навигация, сигналы системы GPS, как приемник GPS-навигатора определяет свое положение.
Космическая часть — это 32 спутника, вращающихся по 6 орбитам. Наклон орбит к земному экватору 55 градусов, угол между плоскостями орбит 60 градусов. Высота орбит 20180 километров, период обращения 12 часов. Такой период обращения означает, что каждый спутник в одно и тоже время дня пролетает над одним и тем же местом. Мощность спутникового передатчика 50 Вт, вес спутников 1055 кг, срок службы спутников до 7,5 лет. Спутники GPS способны, передвигаясь, заполнять бреши в системе, если один из них вышел из строя. Важным элементом спутника являются атомные часы, рубидиевые и цезиевые, по четыре на каждом. Спутники идентифицируются номером PRN (Pseudo Random Number), который отображается приемником GPS.
Наземная часть GPS состоит из станций слежения. Они отслеживают видимые спутники и передают данные на Главную станцию (MCS) управления и контроля на авиабазе в штате Колорадо, США, для обработки траекторий спутников на сложных компьютерных программных моделях. Этой обработкой достигается определение эфемеридной информации, состоящей из параметров орбит спутников, их координат и производных координат. Через наземные станции вычисленные эфемеридные данные передаются на спутники, а затем спутник передает их приемникам GPS, где они используются для расчета координат места.
GPS-навигация, система NAVSTAR GPS, находится в подчинении Министерства обороны США, а вопросы ее гражданского использования курируются Министерством транспорта. Система предоставляет два вида услуг : SPS (Standard Position Service) -стандартной точности для гражданских пользователей, и PPS (Precise Position Service) — высокой точности для военных. При разработке системы, точность SPS в 100 метров считалась достаточной для гражданских целей. По мере испытаний оказалось, что подсистема SPS точнее, чем предполагалось. Для сохранения преимущества высокой точности для военных с марта 1990 года и был введен режим ограничения доступа SA (Selective Availability), в результате которого гражданская GPS-навигация искусственно снижает свою точность.
Пользовательский сегмент также претерпел значительные изменения. Первые одноканальные приемники последовательно настраивались на спутники. Первоначальное определение местоположения «холодный старт» требовало ввода примерной позиции и занимало много времени, «теплый старт» при последующих включениях также требовал нескольких минут. Сигнал часто пропадал, не хватало чувствительности. Затем появились двухканальные, а позже быстро переключающиеся, «мультиплексные» приемники. Их чувствительность и быстродействие казались революционными. С конца 90-х потребительским стандартом GPS стали параллельные 12-канальные приемники, отслеживающие все видимые спутники одновременно. Совершенствовались алгоритмы защиты от помех и коррекции ошибок, пользовательский интерфейс.
Сигналы системы GPS.
Все частоты в системе GPS кратны основной тактовой частоте часов спутника — 10,23 МГц. Спутник передает кодированные сигналы в диапазонах L1 = 1575,42 МГц и L2 = 1227,6 МГц. Модуляция фазовая, так называемая псевдослучайная. Сигналы содержат два вида информации : навигационные сообщения и дальномерный псевдослучайный код. Код представляет собой последовательность единиц и нулей, на первый взгляд случайную, но изменяющуюся по сложному закону. Псевдослучайный код содержит номер спутника (PRN). Существуют два вида кода. Гражданские GPS используют С/А (Coarse Acquisition) — код, ныне передаваемый только на частоте L1. Этот код также используется для первоначального (грубого) определения позиции в PPS. Один цикл передачи кода состоит из 1023 бит и повторяется 1000 раз/сек.
Военные GPS высокой точности используют Р-код (Precise), который передается на обеих частотах, L1 и L2. В случае военной опасности Р-код может заменяться на зашифрованный Y-код. В будущем, в дополнение к отмене режима SA, для высокоответственных гражданских приложений, связанных с безопасностью жизни, например авиации, будет введен двухчастотный гражданский сервис : с 2008 года С/А-код на частоте L2, в 2012-2014 годах третья гражданская частота L5 = 1176,45 МГц. Для военных появится М-код, лучше защищенный от помех.
Навигационные сообщения GPS-навигация передает со скоростью 50 бит/сек и кодирует также псевдослучайным кодом. Каждое сообщение состоит из 25 кадров (страниц) по 1500 бит. Полный цикл передачи всего сообщения занимает 12,5 минут. Навигационное сообщение включает в себя эфемеридные данные и данные альманаха, данные о времени в системе GPS и коэффициенты для его пересчета во всемирное время, ключевые слова к Р-коду и специальные сообщения, об исправности аппаратуры и другие.
Эфемериды — это параметры орбиты спутника и некоторые коэффициенты, с помощью которых приемник вычисляет текущее и будущее положение спутника, используя математическую кеплеровскую модель. Кроме того, навигационные сообщения содержат поправки к спутниковым часам и к задержке распространения сигнала в ионосфере для пользователей С/А-кода. Альманах это данные об эфемеридах и состоянии всех остальных спутников в системе, хранятся в памяти GPS-приемника. Благодаря этим данным приемник всегда знает, где находятся все спутники системы, даже когда он их не видит, и какие спутники лучше использовать для определения координат.
Как приемник GPS-навигатора определяет свое положение.
GPS-навигация использует способ определения координат места по измерениям дальностей до ориентиров-спутников, определяемой с помощью псевдослучайного кода. Для этогоGPS-приемник синхронно со спутником генерирует аналогичный собственный код. Измеряя разность сдвига между одинаковыми участками указанных кодов по времени, приемник определяет так называемую псевдодальность. По трем псевдодальностям он может определить свое точное положение.
Определение координат места по одному и двум спутникам системы GPS.
Почему «псевдо»? Проблема в том, что если бы псевдослучайные коды приемника и спутника были сгенерированы одновременно, то псевдодальности были бы дальностями. Однако часы спутника очень точные и корректируются по сигналам с Земли, а часы приемника менее точны, кроме того, имеются задержки распространения сигнала в ионосфере, тропосфере и так далее, что создает суммарную ошибку.
Определить однозначно двухмерные координаты по двум окружностям равных расстояний (линиям положений) невозможно. Например, если часы приемника GPS-навигатора отстают, истинная позиция будет ближе, но в каждом случае пропорционально ближе к каждому из спутников. Вводя линию положения от 3-го спутника, мы можем получить однозначный результат.
Программа приемника GPS-навигатора, используя три измеренные псевдодальности, три линии положения, путем совместного решения трех уравнений вычисляет три неизвестные величины : долготу, широту и ошибку часов. Вот почему для определения двухмерных координат необходимы как минимум три спутника, для трехмерных — четыре. Скорость и направление движения, вектор пользователя, в непрофессиональных моделях приемников GPS-навигаторов, как правило, определяются по приращению координат.
По материалам книги Все о GPS-навигаторах.
Найман В.С., Самойлов А.Е., Ильин Н.Р., Шейнис А.И.
