GPS satelītu sistēma. GPS sistēmas sastāvs

Viedtālruņi jau sen vairs nav vienkārši numura sastādītāji. Tie pavēra daudz jaunu iespēju saviem īpašniekiem.

Pirmajā vietā ir pilnvērtīga ātrgaitas interneta piekļuve un saziņa sociālajos tīklos un tūlītējos kurjeros. Bet GPS pozicionēšana ir ne mazāk pieprasīta, par ko mēs tagad runāsim sīkāk.

Kas ir GPS?

GPS ir navigācijas sistēma, kas nosaka viedtālruņa atrašanās vietu, veido maršrutus un ļauj atrast vajadzīgo objektu kartē.

Gandrīz katram mūsdienu sīkrīkam ir iebūvēts GPS modulis. Šī ir antena, kas noregulēta uz GPS ģeogrāfiskās atrašanās vietas noteikšanas satelīta signālu. Sākotnēji tas tika izstrādāts ASV militāriem nolūkiem, bet vēlāk tā signāls kļuva pieejams ikvienam. Sīkrīka GPS modulis ir uztvērēja antena ar pastiprinātāju, taču tas nevar pārraidīt signālu. Saņemot signālu no satelītiem, viedtālrunis nosaka tā atrašanās vietas koordinātas.

Gandrīz katrs mūsdienu cilvēks kaut reizi ir izmantojis GPS navigāciju viedtālrunī vai planšetdatorā. Nepieciešamība pēc tā var rasties jebkurā laikā dažādu profesiju un dažādu profesiju cilvēkiem. Tas ir nepieciešams autovadītājiem, kurjeriem, medniekiem, makšķerniekiem un pat vienkāršiem gājējiem, kuri nonāk nepazīstamā pilsētā. Pateicoties šādai navigācijai, jūs varat noteikt savu atrašanās vietu, atrast vajadzīgo objektu kartē, izveidot maršrutu un, ja jums ir pieejams internets, izvairīties no satiksmes sastrēgumiem.

Bezsaistes kartes GPS

Google savai Android operētājsistēmai ir izstrādājis īpašu ģeogrāfiskās atrašanās vietas noteikšanas aplikāciju – Google Maps. Tas ātri atrod satelītus, izstrādā maršrutus uz objektiem un piedāvā alternatīvas. Diemžēl, ja nav mobilā tīkla pārklājuma, Google Maps nedarbojas, jo ģeogrāfiskās kartes tiek lejupielādētas, izmantojot internetu.

Bezsaistes navigācijai labākais veids ir lejupielādēt lietojumprogrammas, kas atbalsta bezsaistes kartes, piemēram, Maps.me, Navitel un 2GIS. Varat arī instalēt lietotni Maps: Transports un navigācija pakalpojumam Google Maps.

Šajā gadījumā jums nebūs jātērē interneta trafiks, lai lejupielādētu kartes — tās vienmēr būs jūsu ierīcē neatkarīgi no atrašanās vietas. Tas jo īpaši attiecas uz gadījumiem, kad atrodaties ārzemēs, jo interneta piekļuves viesabonēšanas izmaksas ir ļoti augstas.

Kā iespējot GPS operētājsistēmā Android?

GPS moduļa aktivizēšana operētājsistēmā Android ir iespējama divos veidos:

Augšējais aizkars. Pavelciet uz leju displejā un atvērtajā izvēlnē noklikšķiniet uz pogas “Atrašanās vieta”, “Ģeolokācija” vai “Ģeogrāfiskie dati” (atkarībā no Android versijas).
Android iestatījumos atrodiet līdzīgu vienumu vienumu un pārvietojiet izvēles rūtiņu pozīcijā “Iespējots”.

Aktīvās viedtālruņa navigācijas sistēmas darbības laikā tā akumulatora uzlāde sāk iztērēt diezgan aktīvi, tāpēc ir vērts parūpēties par papildu enerģijas avotiem. Piemēram, braucot ar automašīnu ir jāizmanto automašīnas lādētājs, un, ceļojot ar velosipēdu vai kājām -.

Ir arī vērts atcerēties, ka uzticama satelīta signāla uztveršana ir iespējama atklātās vietās, tāpēc, atrodoties telpā vai tunelī, ģeogrāfiskā atrašanās vieta kļūst neiespējama. Savu ietekmi atstāj arī mākoņains laiks – mākoņu dēļ ierīce pavadoņu meklēšanai aizņem ilgāku laiku un neprecīzāk nosaka savas koordinātas.

Ne tik sen GPS bija vienīgā ģeogrāfiskās atrašanās vietas noteikšanas sistēma, tāpēc Android sākotnējās versijās tika pieminēta tikai tā, un tā sauca pakalpojuma aktivizēšanas pogu. Kopš 2010. gada pilnībā darbojas Krievijas, bet kopš 2012. gada -.

GPS ir satelītu navigācijas sistēma, kas mēra attālumu, laiku un nosaka atrašanās vietu. Ļauj noteikt objektu atrašanās vietu un ātrumu jebkurā vietā uz Zemes (neskaitot polāros apgabalus), gandrīz jebkuros laikapstākļos, kā arī kosmosā pie planētas. Sistēmu izstrādā, ievieš un ekspluatē ASV Aizsardzības ministrija.

Īss GPS raksturojums

ASV Aizsardzības departamenta satelītu navigācijas sistēma ir GPS, ko sauc arī par NAVSTAR. Sistēma sastāv no 24 navigācijas mākslīgie zemes pavadoņi (NES), zemes komandu mērīšanas komplekss un patērētāju iekārtas. Tā ir globāla, visos laikapstākļos paredzēta navigācijas sistēma, kas nodrošina objektu koordinātu noteikšanu ar augstu precizitāti trīsdimensiju tuvējā Zemei telpā. GPS satelīti ir novietoti sešās vidēji augstās orbītās (augstums 20 183 km), un to orbītas periods ir 12 stundas. Orbitālās plaknes ir izvietotas 60° intervālos un ir slīpas pret ekvatoru 55° leņķī. Katrā orbītā ir 4 satelīti. 18 satelīti ir minimālais skaits, lai nodrošinātu vismaz 4 satelītu redzamību katrā Zemes punktā.

Sistēmas lietošanas pamatprincips ir atrašanās vietas noteikšana, mērot attālumus līdz objektam no punktiem ar zināmām koordinātām – satelītiem. Attālumu aprēķina pēc signāla izplatīšanās aizkaves laika no tā nosūtīšanas ar satelītu līdz saņemšanai ar GPS uztvērēja antenu. Tas ir, lai noteiktu trīsdimensiju koordinātas, GPS uztvērējam ir jāzina attālums līdz trim satelītiem un GPS sistēmas laiks. Tādējādi, lai noteiktu uztvērēja koordinātas un augstumu virs jūras līmeņa, tiek izmantoti signāli no vismaz četriem satelītiem.

Sistēma ir paredzēta lidmašīnu un kuģu navigācijas nodrošināšanai un laika noteikšanai ar augstu precizitāti. To var izmantot divdimensiju navigācijas režīmā - 2D objektu navigācijas parametru noteikšana uz Zemes virsmas) un trīsdimensiju režīmā - 3D (virs Zemes virsmas esošo objektu navigācijas parametru mērīšana). Lai atrastu objekta trīsdimensiju pozīciju, ir nepieciešams izmērīt navigācijas parametrus vismaz 4 NIS, bet divdimensiju navigācijai - vismaz 3 NIS. GPS izmanto pseidotālmēra metodi, lai noteiktu atrašanās vietu, un pseido-radiālā ātruma metodi objekta ātruma noteikšanai.

Lai uzlabotu precizitāti noteikšanas rezultātus izlīdzina, izmantojot Kalmana filtru. GPS satelīti pārraida navigācijas signālus divās frekvencēs: F1 = 1575,42 un F2 = 1227,60 MHz. Radiācijas režīms: nepārtraukts ar pseidotrokšņu modulāciju. Navigācijas signāli ir publisks C/A kods (kurss un iegūšana), kas tiek pārraidīts tikai F1 frekvencē, un aizsargāts P kods (precizitātes kods), kas tiek izstarots F1, F2 frekvencēs.

GPS sistēmā katram NIS ir savs unikāls C/A kods un unikāls P kods. Šo satelīta signālu atdalīšanas veidu sauc par koda atdalīšanu. Tas ļauj iebūvētajam aprīkojumam atpazīt, kuram satelītam pieder signāls, kad tie visi pārraida vienā frekvencē. GPS nodrošina divus klientu apkalpošanas līmeņus: PPS precīzās pozicionēšanas pakalpojums un SPS standarta pozicionēšanas pakalpojums PPS ir balstīts uz precīzu kodu, un SPS. - publiski pieejams. PPS servisa līmenis tiek nodrošināts ASV militārajiem un federālajiem dienestiem, bet SPS tiek nodrošināts masu civilajam patērētājam.Papildus navigācijas signāliem satelīts regulāri pārraida ziņas, kas satur informāciju par satelīta statusu, tā efemerīdu, sistēmu. laiks, jonosfēras aizkaves prognoze un darbības rādītāji. Borta GPS aprīkojums sastāv no antenas un uztvērēja indikatora. PI ietver uztvērēju, datoru, atmiņas vienības, vadības un displeja ierīces. Atmiņas blokos tiek glabāti nepieciešamie dati, programmas problēmu risināšanai un uztvērēja indikatora darbības kontrolei. Atkarībā no nolūka tiek izmantots divu veidu borta aprīkojums: speciālais un masu patērētājam.Speciālais aprīkojums paredzēts raķešu, militāro lidmašīnu, kuģu un speciālo kuģu kinemātisko parametru noteikšanai. Meklējot objekta parametrus, tas izmanto P un C/A kodus. Šī iekārta nodrošina praktiski nepārtrauktu noteikšanu ar precizitāte: objekta atrašanās vieta— 5+7 m, ātrums — 0,05+0,15 m/s, laiks — 5+15 ns

GPS navigācijas satelītu sistēmas galvenie pielietojumi:

Ģeodēzija: izmantojot GPS, tiek noteiktas precīzas punktu koordinātas un zemes gabalu robežas
Kartogrāfija: GPS tiek izmantots civilajā un militārajā kartogrāfijā
Navigācija: GPS tiek izmantots gan jūras, gan ceļu navigācijai
Transporta satelītnovērošana: izmantojot GPS, tiek uzraudzīta transportlīdzekļu atrašanās vieta un ātrums, kā arī tiek kontrolēta to kustība
Mobilie tālruņi: pirmie mobilie tālruņi ar GPS parādījās 90. gados. Dažās valstīs, piemēram, ASV, to izmanto, lai ātri noteiktu 911 zvanošas personas atrašanās vietu.
Tektonika, plātņu tektonika: izmantojot GPS, lai novērotu plākšņu kustības un vibrācijas
Aktīvā atpūta: ir dažādas spēles, kas izmanto GPS, piemēram, Geocaching u.c.
Ģeogrāfiskā marķēšana: informācija, piemēram, fotogrāfijas, tiek “saistīta” ar koordinātām, pateicoties iebūvētajiem vai ārējiem GPS uztvērējiem.

Patērētāju koordinātu noteikšana

Pozicionēšana pēc attāluma līdz satelītiem

Atrašanās vietas koordinātas tiek aprēķinātas, pamatojoties uz izmērītajiem attālumiem līdz satelītiem. Lai noteiktu atrašanās vietu, ir nepieciešami četri mērījumi. Trīs dimensijas ir pietiekami, ja jūs varat novērst neticamos risinājumus ar citiem pieejamiem līdzekļiem. Tehnisku iemeslu dēļ ir nepieciešams cits mērījums.

Attāluma mērīšana līdz satelītam

Attālumu līdz satelītam nosaka, izmērot laiku, kas nepieciešams, lai radio signāls no satelīta nonāktu līdz mums. Gan satelīts, gan uztvērējs ģenerē vienu un to pašu pseidogadījuma kodu stingri vienlaicīgi un kopējā laika skalā. Noteiksim, cik ilgā laikā signāls no satelīta sasniedza mūs, salīdzinot tā pseidogadījuma koda aizkavi ar uztvērēja kodu.

Perfekta laika nodrošināšana

Precīza laika noteikšana ir atslēga attāluma mērīšanai līdz satelītiem. Satelīti ir precīzi laikā, jo uz tiem ir atompulksteņi. Uztvērēja pulkstenis var nebūt ideāls, jo tā novirzi var novērst, izmantojot trigonometriskos aprēķinus. Lai iegūtu šo iespēju, ir nepieciešams izmērīt attālumu līdz ceturtajam satelītam. Četru mērījumu nepieciešamību nosaka uztvērēja konstrukcija.

Satelīta atrašanās vietas noteikšana kosmosā.

Lai aprēķinātu mūsu koordinātas, mums jāzina gan attālumi līdz satelītiem, gan katra atrašanās vieta kosmosā. GPS satelīti ceļo tik augstu, ka to orbītas ir ļoti stabilas un tās var paredzēt ar lielu precizitāti. Izsekošanas stacijas pastāvīgi mēra nelielas izmaiņas orbītā, un dati par šīm izmaiņām tiek pārraidīti no satelītiem.

Jonosfēras un atmosfēras signālu kavēšanās.

Ir divas metodes, kuras var izmantot, lai kļūdu līdz minimumam samazinātu. Pirmkārt, mēs varam paredzēt, kādas būtu tipiskās ātruma izmaiņas parastā dienā vidējos jonosfēras apstākļos, un pēc tam piemērot korekciju visiem mūsu mērījumiem. Bet diemžēl ne katra diena ir parasta. Vēl viena metode ir salīdzināt divu signālu izplatīšanās ātrumus ar dažādām nesējfrekvencēm. Ja salīdzinām divu GPS signāla dažādu frekvenču komponentu izplatīšanās laiku, mēs varam noskaidrot, kāda veida palēninājums notika. Šī korekcijas metode ir diezgan sarežģīta un tiek izmantota tikai vismodernākajos, tā sauktajos “divfrekvences” GPS uztvērējos.

Daudzceļu.

Cits kļūdu veids ir “daudzceļu” kļūdas. Tās rodas, ja signāli, kas tiek pārraidīti no satelīta, atkārtoti tiek atstaroti no apkārtējiem objektiem un virsmām, pirms tie sasniedz uztvērēju.

Ģeometriskā faktora samazināšanas precizitāte.

Labi uztvērēji ir aprīkoti ar skaitļošanas procedūrām, kas analizē visu novērojamo satelītu relatīvās pozīcijas un no tiem izvēlas četrus kandidātus, t.i. vislabāk novietotie četri satelīti.

Iegūtā GPS precizitāte.

Rezultātā radušos GPS kļūdu nosaka dažādu avotu kļūdu summa. Katra ieguldījums mainās atkarībā no atmosfēras apstākļiem un aprīkojuma kvalitātes. Turklāt ASV Aizsardzības ministrija var apzināti samazināt precizitāti, GPS satelītos uzstādot tā saukto S/A režīmu (Selective Availability). Šis režīms ir paredzēts, lai neļautu potenciālajam ienaidniekam iegūt taktiskas priekšrocības GPS pozicionēšanā. Kad un ja šis režīms ir iestatīts, tas rada nozīmīgāko kopējās GPS kļūdas komponentu.

Secinājums:

Mērījumu precizitāte GPS izmantošana ir atkarīga no uztvērēja konstrukcijas un klases, satelītu skaita un atrašanās vietas (reālā laikā), jonosfēras un Zemes atmosfēras stāvokļa (smagie mākoņi utt.), traucējumu klātbūtnes un citiem faktoriem. “Mājsaimniecības” GPS ierīcēm “civilajiem” lietotājiem mērījumu kļūda ir diapazonā no ±3-5m līdz ±50m un vairāk (vidēji reālā precizitāte, ar minimāliem traucējumiem, ja jauni modeļi, ir ±5-15 metri plānā). Maksimālā iespējamā precizitāte sasniedz +/- 2-3 metrus horizontāli. Augstums – no ±10-50m līdz ±100-150 metriem. Altimetrs būs precīzāks, ja kalibrēsit digitālo barometru pēc tuvākā punkta ar zināmu precīzu augstumu (piemēram, no parastā atlanta) līdzenā reljefā vai pēc zināma atmosfēras spiediena (ja tas nemainās pārāk ātri laikapstākļos). izmaiņas). Augstas precizitātes “ģeodēziskās klases” skaitītāji - precīzāki par divām līdz trim kārtām (līdz centimetram, plānā un augstumā). Mērījumu faktisko precizitāti nosaka dažādi faktori, piemēram, attālums no tuvākās bāzes (korekcijas) stacijas sistēmas apkalpošanas zonā, daudzkārtība (atkārtotu mērījumu / uzkrājumu skaits punktā), atbilstoša darba kvalitātes kontrole, darbības līmenis. speciālista apmācība un praktiskā pieredze. Šādu augstas precizitātes aprīkojumu var izmantot tikai specializētas organizācijas, speciālie dienesti un militārpersonas.

Lai uzlabotu navigācijas precizitāti Ieteicams izmantot GPS uztvērēju atklātā vietā (tuvumā nav ēku vai nokarenu koku) ar diezgan līdzenu reljefu un pievienot papildu ārējo antenu. Mārketinga nolūkos šādām ierīcēm tiek piedēvēta “dubulta uzticamība un precizitāte” (attiecībā uz vienlaikus izmantotajām divām satelītu sistēmām Glonass un Gypies), bet faktiskais parametru uzlabojums (koordinātu noteikšanas precizitātes palielināšana) var sasniegt tikai līdz pat vairāki desmiti procentu. Ir iespējams tikai manāms karstā-silta sākuma laika un mērījumu ilguma samazinājums

GPS mērījumu kvalitāte pasliktinās, ja satelīti atrodas debesīs blīvā starā vai vienā līnijā un “tālu” - tuvu horizontam (to visu sauc par “slikto ģeometriju”) un rodas signāla traucējumi (augstceltnes). bloķē signālu, koki, stāvi kalni tuvumā, kas atspoguļo signālu). Zemes dienas pusē (šobrīd to apgaismo Saule) - pēc jonosfēras plazmas izlaišanas radiosignāli tiek novājināti un izkropļoti par lielumu spēcīgāk nekā nakts pusē. Ģeomagnētiskās vētras laikā pēc spēcīgiem saules uzliesmojumiem iespējami pārtraukumi un ilgstoši pārtraukumi satelītnavigācijas iekārtu darbībā.

Faktiskā GPS precizitāte ir atkarīga no GPS uztvērēja veida un datu vākšanas un apstrādes funkcijām. Jo vairāk kanālu (jābūt vismaz 8) navigatorā, jo precīzāk un ātrāk tiek noteikti pareizie parametri. Saņemot “papildu A-GPS atrašanās vietas servera datus” ar interneta starpniecību (ar pakešdatu pārraidi, tālruņos un viedtālruņos), palielinās koordinātu un atrašanās vietas noteikšanas ātrums kartē.

WAAS (Wide Area Augmentation System, Amerikas kontinentā) un EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Services, Eiropā) - diferenciālas apakšsistēmas, kas pārraida caur ģeostacionāru (augstumā no 36 tūkstošiem km zemākos platuma grādos līdz 40 tūkstošiem kilometru virs vidējiem un augstajiem platuma grādiem). satelīti labo informāciju GPS uztvērējiem (tiek ieviesti labojumi). Tie var uzlabot rovera (lauka, mobilā uztvērēja) pozicionēšanas kvalitāti, ja tuvumā atrodas un darbojas uz zemes bāzes bāzes korekcijas stacijas (stacionārie atskaites signālu uztvērēji, kuriem jau ir augstas precizitātes koordinātu atskaite). Šajā gadījumā lauka un bāzes uztvērējiem vienlaikus ir jāseko satelītiem ar tādu pašu nosaukumu.

Lai palielinātu mērīšanas ātrumu Ieteicams izmantot daudzkanālu (8 vai vairāk kanālu) uztvērēju ar ārējo antenu. Ir jābūt redzamiem vismaz trim GPS satelītiem. Jo vairāk to ir, jo labāks rezultāts. Nepieciešama arī laba debesu redzamība (atvērts horizonts). Ātrs, “karsts” (ilgst pirmajās sekundēs) vai “siltais starts” (laikā pusminūti vai minūti) iespējams uztverošās ierīces, ja tajā ir aktuāls, svaigs almanahs. Gadījumā, ja navigators nav lietots ilgu laiku, uztvērējs ir spiests saņemt pilnu almanahu un, kad tas ir ieslēgts, tiks veikta aukstā palaišana (ja ierīce atbalsta AGPS, tad ātrāk - līdz plkst. dažas sekundes). Lai noteiktu tikai horizontālās koordinātas (platums/garums), var pietikt ar signāliem no trim satelītiem. Lai iegūtu trīsdimensiju (ar augstumu) koordinātas, ir nepieciešamas vismaz četras koordinātas. Nepieciešamība izveidot savu, pašmāju navigācijas sistēmu ir saistīta ar to, ka GPS ir amerikānis, potenciālie pretinieki, kuri jebkurā laikā savās militārajās un ģeopolitiskajās interesēs var selektīvi atspējot, “iestrēgt”, modificēt jebkurā reģionā vai palielināt mākslīgo. , sistemātiska kļūda koordinātās (šī pakalpojuma ārvalstu patērētājiem), kas vienmēr ir klāt miera laikā.

GLOBĀLĀ POZICIONĒŠANAS SISTĒMA(angļu Global Positioning System, saīsināti GPS; dažreiz saukta par GSM - globālās pozicionēšanas sistēma), radio pozicionēšanas sistēma, kas izmanto navigācijas satelītus. Šādas sistēmas sniedz 24/7 informāciju par trīsdimensiju pozīciju, ātrumu un laiku lietotājiem ar atbilstošu aprīkojumu (GPS uztvērējs; Glospace), kas atrodas uz zemes virsmas vai tās tuvumā (un dažreiz pat aiz tās). Pirmā GPS sistēma, kas plaši pieejama civilajiem lietotājiem, bija NAVSTAR, ko pārvalda ASV Aizsardzības ministrija. PSRS arī izstrādāja savu sistēmu, taču tā tika izmantota tikai militāriem mērķiem (līdz 1991. gadam GPS izmantošana PSRS teritorijā kopumā bija aizliegta, izņemot militāriem mērķiem). Pirmo GLONASS satelītu Padomju Savienība palaida orbītā 1982. gada 12. oktobrī. 1993. gada 24. septembrī sistēma tika oficiāli nodota ekspluatācijā. Nepieciešamais satelītu skaits — 24 — tika sasniegts līdz 1995. gadam, bet vēlāk ekonomisku un politisku grūtību dēļ orbītas zvaigznājs tika samazināts. 2007. gadā sākās vietējās GLONASS sistēmas (saīsinājums no Global Navigation Satellite System) komerciāla izmantošana. Tiek izstrādāta ES valstu izstrādātā Galileo sistēma.

Amerikāņu sistēma NAVSTAR sākās ar pirmā satelīta palaišanu 1978. gada februārī.

Lielākā daļa navigācijas uztvērēju izmanto Doplera efektu, lai iegūtu informāciju par ātrumu. Sistēmu veido 24 satelīti, kas atrodas precīzi noteiktās orbītās. Tie pārraida nepārtrauktus signālus uztvērējiem uz zemes, jūrā, gaisā un kosmosā. GPS tiek izmantots atrašanās vietas noteikšanai, navigācijai, kartēšanai, maršrutēšanai, laika noteikšanai un notikumu sinhronizēšanai. Satelītu orbītas atrodas aptuveni starp 60 grādiem ziemeļu un dienvidu platuma. Tas nodrošina, ka signālu no vismaz dažiem satelītiem var uztvert visur un jebkurā laikā.

GPS uztvērējs izmanto satelīta signālus, lai izmērītu attālumu no katra no četriem (vai vairākiem) satelītiem, kas pašlaik atrodas tā redzes laukā. Uztvērēja ierīcē esošais almanahs (astronomiskais kalendārs), kas tiek atjaunināts ar koriģējošiem signāliem no satelītiem, precīzi nosaka, kur satelīti pašlaik atrodas. Zinot četru satelītu atrašanās vietu un attālumu līdz katram no tiem, uztvērējs var aprēķināt tā ātrumu. Standarta uztvērēji var ierakstīt atrašanās vietu ar dažu metru precizitāti un laiku ar precizitāti līdz 1 sekundes miljonajai daļai. Jaunākie uztvērēji ir dažu centimetru precīzi.

GPS nodrošina vienotu globālu standartu telpas un laika mērīšanai. Tā precizitāte ļauj lidmašīnām lidot tuvāk viena otrai, tiešākos maršrutos un uzlabo lidojumu drošību.

NAVSTAR signāls satur t.s. “pseidogadījuma kods” (PRN - pseidogadījuma kods), efimērs un almanahs. Pseidogadījuma kodu izmanto, lai identificētu raidošo satelītu. Visi tie ir numurēti no 1 līdz 32, un šis skaitlis tiek parādīts GPS uztvērēja ekrānā, kamēr tas darbojas. PRN numuru skaits ir lielāks nekā satelītu skaits (24), jo tādējādi ir vieglāk uzturēt GPS tīklu: var palaist jaunu satelītu, pārbaudīt un nodot ekspluatācijā, pirms vecais sabojājas. Šādam satelītam vienkārši tiks piešķirts jauns numurs (no 1 līdz 32).

Efemēru dati, ko pastāvīgi pārraida katrs satelīts, satur tik svarīgu informāciju kā satelīta stāvoklis (strādā vai nedarbojas), pašreizējais datums un laiks. Almanaha dati norāda, kur dienas laikā jāatrodas visiem GPS satelītiem. Katrs no tiem pārraida almanahu, kas satur tā orbītas parametrus, kā arī visus citus sistēmas satelītus.

Divdesmit četri satelīti riņķo ap Zemi aptuveni augstumā. 20 tūkstoši km. Katrā no sešām orbitālajām plaknēm ir četri satelīti. Pat ja orbītas ir precīzi kalibrētas, joprojām rodas kļūdas un satelīti nosūta navigācijas labojumus uz GPS uztvērējiem, lai atjauninātu almanahus. Navigācijas korekcijas satelītiem paziņo zemes stacijas, kas nepārtraukti uzrauga to atrašanās vietu un ātrumu.

Rādīšana

GPS uztvērējs nosaka savu atrašanās vietu, aprēķinot attālumu līdz katram no četriem satelītiem, kuru precīza atrašanās vieta ir zināma. Katrs satelīts pārraida signālus; paiet zināms laiks, līdz tie sasniedz uztvērēju. Uztvērējā iebūvētais pulkstenis ir sinhronizēts ar satelītu atompulksteņiem, kas ļauj aprēķināt signāla pārvietošanās laikus. Attālums līdz katram satelītam tiek aprēķināts no signāla pārvietošanās laika un radioviļņu izplatīšanās ātruma. Izmantojot paņēmienu, ko sauc par triangulāciju, izmērītie attālumi tiek apvienoti ar satelīta atrašanās vietas datiem, lai noteiktu uztvērēja atrašanās vietu.

GPS(Global Positioning System) ir sistēma objektu atrašanās vietas noteikšanai, pamatojoties uz mākslīgo Zemes pavadoņu izmantošanu. Sistēmas precizitāte ir no 2 līdz 100 m, atkarībā no gala iekārtas veida. GPS navigatori pēc praktiskā mērķa un dizaina ir plaša ierīču klase, kas paredzētas objektu atrašanās vietas noteikšanai un to kustības parametru noteikšanai tieši no to atrašanās vietas vai attāluma. To uzbūves principi ir balstīti uz GPS, datortehnoloģiju un telekomunikāciju sistēmu un tīklu, galvenokārt interneta, izmantošanu. GPS navigatori ir plaši izplatīti militārajās lietās, visu veidu transportā un ikdienas dzīvē. Mikroelektronikas un datortehnoloģiju attīstība ir ļāvusi samazināt uz kustīgiem objektiem uzstādīto gala iekārtu izmēru, vienlaikus palielinot to funkcionālos un darbības parametrus. Rezultātā parādījās dažādas modifikācijas, kas bija paredzētas personīgai lietošanai ārpus transporta vides (tieši personas), jo īpaši, instalētas plaukstdatoros un klēpjdatoros. Maza izmēra GPS navigatoros ietilpst GPS lokatori un pulksteņu navigatori. GPS lokatori nodrošina kontroli (t.sk. 24/7) izsekotu objektu atrašanās vietu, piemēram, bērnu, probācijas stacionāru, cilvēku, kas slimo ar Alcheimera slimību.

GLONASS(Global Navigation Satellite System) ir Krievijas GPS analogs. 2005. gada jūnijā ar Krievijas Federācijas valdības dekrētu tika pieņemts lēmums par pakāpenisku (līdz 2009. gada 1. janvārim) kosmosa kuģu, lidmašīnu, jūras un upju kuģu, pasažieru pārvadāšanai izmantojamo autotransporta un dzelzceļa transporta, speciālo vai bīstamās kravas, kā arī ģeodēziskajos un kadastra darbos izmantojamie instrumenti un iekārtas.

Navigator pulksteņi ir pulksteņi, kas aprīkoti ar GPS uztvērējiem. Navigator pulksteņiem ir parasta rokas pulksteņa izmēri, tie realizē atrašanās vietas (garuma un platuma), brauciena sākuma punkta un attāluma līdz kustības vietai noteikšanas funkcijas, pašreizējo ātrumu, starppunktus, virzienus starp tiem. Navigatora pulksteņi var sazināties ar datoru, lai pārsūtītu un apstrādātu GPS datus, importētu un skatītu karšu rastra attēlus (JPEG un BMP formātos) un plānotu kustību noteiktā maršrutā.

GPS sākotnēji radīja ASV Aizsardzības departaments, kas paredzēts militārām vajadzībām un saucās Navstar (Navigaion System with Time and Ranging – navigācijas sistēma ar iespēju noteikt laiku un attālumu). Navstar sistēmas mērķis bija nodrošināt militārpersonām iespēju noteikt objekta koordinātas jebkurā Zemes virsmas punktā. Pēc tam sistēmas izmantošana komerciālos nolūkos tika atļauta. Līdz 2000. gadam visi sistēmas lietotāji tika iedalīti divās kategorijās: priviliģētie (militārie) un parastie (civilie). Civilajiem GPS lietotājiem satelīta signālā bija pieejama tikai daļa informācijas, kas ļāva noteikt koordinātas ar kļūdu līdz pat vairākiem desmitiem vai pat simtiem metru, savukārt militārpersonām sistēma darbojās ar maksimālu precizitāti - kļūda nebija lielāka par dažiem metriem. Kopš 2000. gada ierobežojumi civilajiem lietotājiem ir atcelti.

Laikā no 1978. līdz 1994. gadam aptuveni 20 tūkstošu km augstumā orbītā tika palaisti 24 galvenie satelīti, nodrošinot GPS sistēmas darbību. Pēc tam tika pievienoti vēl četri rezerves satelīti. Sistēmas darbību uzrauga četras zemes stacijas, kuru pienākumos ietilpst navigācijas informācijas un pulksteņu pielāgošana satelītos, kā arī katras darbības uzraudzība. GPS komerciāla izmantošana sākās 1995. gadā. Visu satelītu un zemes iekārtu īpašnieks, neskatoties uz GPS komercializāciju, ir ASV Aizsardzības ministrija.

Satelīti izstaro fāzes modulētu signālu divās frekvencēs - L1 1575,42 MHz un L2 1227,60 MHz. Pirmais ir paredzēts civilajiem lietotājiem, otrais militārajiem lietotājiem. Satelīta pārraidītā informācija ir sadalīta trīs kategorijās: C/A kods, P kods un Y kods. C/A kods (Coarse Acquisition – aptuvens tuvinājums) ļauj novērtēt atrašanās vietu ar precizitāti līdz 100 m. P-kods (Precision code) ļauj noteikt pozīciju ar vairāku metru precizitāti. Y-kods ir P-koda šifrēta versija. L1 frekvence tiek modulēta ar C/A un P tipa kodiem, L2 frekvence tiek modulēta ar P vai Y kodu (nepārvaramas varas gadījumā, kad nepieciešams aizliegt GPS pakalpojuma izmantošanu civilajiem lietotājiem vai ienaidnieks). Signāls ar L1 frekvenci tiek sajaukts ar tā saukto Navigācijas ziņojumu - informācijas bloku par satelīta pašreizējo stāvokli (laiks, koordinātas). Navigācijas ziņojuma izmērs ir 25 x 1500 biti, un tas tiek pārraidīts 300 bitu blokos ar ātrumu 50 bps. Pilns navigācijas ziņojums tiek saņemts 12,5 minūtēs.

GPS sistēmā lietotāja terminālis ir daudzkanālu uztvērējs, kam ir iespēja vienlaicīgi uztvert signālus no vairākiem satelītiem. GPS terminālis ir pilnīgi pasīva ierīce, kurai nav sava raidītāja. Sistēmas darbības princips ir balstīts uz laika aizkaves salīdzināšanu starp saņemtajiem signāliem no vismaz trim (parasti četriem līdz astoņiem) satelītiem un koordinātu aprēķināšanu, pamatojoties uz attālumu no vairākiem punktiem ar zināmām koordinātām (tas ir, satelītiem). Šajā gadījumā uztvērējs, aprēķinājis attālumu līdz visiem satelītiem, kuru signālus tas pārliecinoši uztver, konstruē vairākas sfēras un, pamatojoties uz šo sfēru krustošanās punktiem, aprēķina aptuveno atrašanās vietu, pamatojoties uz navigācijas informāciju par satelītu koordinātām, arī nāk ar signālu.

Lai palielinātu koordinātu noteikšanas precizitāti (piemēram, ģeodēzijā un kartogrāfijā var nepietikt ar vairāku metru precizitāti), tiek izmantota diferenciālā GPS metode. Šajā gadījumā papildus satelīta signālam uztvērējs izmanto signālu no stacionāra, jaudīga raidītāja, kura pozīcija ir zināma un stabila. Tas ļauj novērst pozicionēšanas problēmas, jo jūs varat aprēķināt pašreizējo sistēmas kļūdu, salīdzinot stacionārā raidītāja reālās koordinātas ar datiem, kas saņemti caur GPS sistēmu.

Teritorijas papīra kartes ir aizstātas ar elektroniskajām kartēm, kurās navigācija tiek veikta, izmantojot GPS satelītu sistēmu. No šī raksta jūs uzzināsit, kad parādījās satelītnavigācija, kas tas ir tagad un kas to sagaida tuvākajā nākotnē.

Pirmie priekšnoteikumi

Otrā pasaules kara laikā ASV un Lielbritānijas flotilēm bija spēcīgs trumpis – navigācijas sistēma LORAN, izmantojot radiobākas. Karadarbības beigās “prorietumniecisko” valstu civilie kuģi saņēma tehnoloģiju savā rīcībā. Desmit gadus vēlāk PSRS ieviesa savu atbildi – navigācijas sistēma Čaika, kas balstīta uz radiobākugunīm, tiek izmantota vēl šodien.

Taču sauszemes navigācijai ir būtiski trūkumi: nelīdzens reljefs kļūst par šķērsli, un jonosfēras ietekme negatīvi ietekmē signāla pārraides laiku. Ja attālums starp navigācijas radiobāku un kuģi ir pārāk liels, kļūdu koordinātu noteikšanā var mērīt kilometros, kas ir nepieņemami.

Uz zemes izvietotās radiobākas militārām vajadzībām tika aizstātas ar satelītnavigācijas sistēmām, no kurām pirmā, American Transit (cits nosaukums NAVSAT), tika palaists 1964. gadā. Seši zemas orbītas satelīti nodrošināja koordinātu noteikšanas precizitāti līdz divsimt metriem.

1976. gadā PSRS uzsāka līdzīgu militārās navigācijas sistēmu Cyclone, bet trīs gadus vēlāk — civilo ar nosaukumu Cicada. Lielais agrīno satelītnavigācijas sistēmu trūkums bija tas, ka tās varēja izmantot tikai īsu stundu. Zemas orbītas satelīti un pat nelielā skaitā nespēja nodrošināt plašu signāla pārklājumu.

GPS vs. GLONASS

1974. gadā ASV armija palaida orbītā pirmo toreizējās jaunās navigācijas sistēmas NAVSTAR satelītu, kas vēlāk tika pārdēvēta par GPS (Global Positioning System). Astoņdesmito gadu vidū GPS tehnoloģiju atļāva izmantot civilie kuģi un lidmašīnas, taču ilgu laiku tās spēja nodrošināt daudz mazāk precīzu pozicionēšanu nekā militārās. Divdesmit ceturtais GPS satelīts, pēdējais, kas nepieciešams, lai pilnībā nosegtu Zemes virsmu, tika palaists 1993. gadā.

1982. gadā PSRS sniedza savu atbildi – tā bija GLONASS (Global Navigation Satellite System) tehnoloģija. Pēdējais 24. GLONASS satelīts nonāca orbītā 1995. gadā, taču satelītu īsais kalpošanas laiks (trīs līdz pieci gadi) un nepietiekamais finansējums projektam izlika sistēmu no darbības gandrīz desmit gadus. Vispasaules GLONASS pārklājumu bija iespējams atjaunot tikai 2010. gadā.

Lai izvairītos no šādām kļūmēm, gan GPS, gan GLONASS tagad izmanto 31 satelītu: 24 galvenos un 7 rezerves, kā saka, katram gadījumam. Mūsdienu navigācijas satelīti lido aptuveni 20 tūkstošu km augstumā un spēj apbraukt ap Zemi divas reizes dienā.

Kā darbojas GPS

Pozicionēšana GPS tīklā tiek veikta, mērot attālumu no uztvērēja līdz vairākiem satelītiem, kuru atrašanās vieta konkrētajā laika brīdī ir precīzi zināma. Attālumu līdz satelītam mēra, reizinot signāla aizkavi ar gaismas ātrumu.
Sakari ar pirmo satelītu sniedz informāciju tikai par uztvērēja iespējamo atrašanās vietu diapazonu. Divu sfēru krustošanās dos apli, trīs - divus punktus, bet četras - vienīgo pareizo punktu kartē. Mūsu planēta visbiežāk tiek izmantota kā viena no sfērām, kas ļauj pozicionēt tikai trijos, nevis četros satelītos. Teorētiski GPS pozicionēšanas precizitāte var sasniegt 2 metrus (praksē kļūda ir daudz lielāka).

Katrs satelīts nosūta uztvērējam lielu informācijas kopumu: precīzu laiku un tā korekciju, almanahu, efemerīda datus un jonosfēras parametrus. Precīzs laika signāls ir nepieciešams, lai izmērītu aizkavi starp tā nosūtīšanu un saņemšanu.

Navigācijas satelīti ir aprīkoti ar augstas precizitātes cēzija pulksteņiem, bet uztvērēji ir aprīkoti ar daudz mazāk precīziem kvarca pulksteņiem. Tāpēc, lai pārbaudītu laiku, tiek izveidots kontakts ar papildu (ceturto) satelītu.

Taču cēzija pulksteņi var arī kļūdīties, tāpēc tie tiek pārbaudīti pret ūdeņraža pulksteņiem, kas novietoti uz zemes. Katram satelītam laika korekcija tiek individuāli aprēķināta navigācijas sistēmas vadības centrā, kas pēc tam kopā ar precīzu laiku tiek nosūtīta uztvērējam.

Vēl viena svarīga satelītnavigācijas sistēmas sastāvdaļa ir almanahs, kas ir satelīta orbītas parametru tabula nākamajam mēnesim. Almanahs, kā arī laika korekcija tiek aprēķināta vadības centrā.

Satelīti pārraida arī atsevišķus efemerīdu datus, uz kuru pamata tiek aprēķinātas orbitālās novirzes. Un, ņemot vērā, ka gaismas ātrums nekur nav nemainīgs, izņemot vakuumā, ir jāņem vērā signāla aizkavēšanās jonosfērā.

Datu pārraide GPS tīklā tiek veikta stingri divās frekvencēs: 1575,42 MHz un 1224,60 MHz. Dažādi satelīti pārraida tajā pašā frekvencē, bet izmanto CDMA koda dalījumu. Tas ir, satelīta signāls ir tikai troksnis, ko var atšifrēt tikai tad, ja jums ir atbilstošs PRN kods.

Iepriekš minētā pieeja ļauj nodrošināt augstu trokšņa imunitāti un izmantot šauru frekvenču diapazonu. Tomēr dažreiz GPS uztvērējiem joprojām ir ilgi jāmeklē satelīti, ko izraisa vairāki iemesli.

Pirmkārt, uztvērējs sākotnēji nezina, kur satelīts atrodas, vai tas attālinās vai tuvojas, un kāda ir tā signāla frekvences nobīde. Otrkārt, kontakts ar satelītu tiek uzskatīts par veiksmīgu tikai tad, ja no tā tiek saņemts pilns informācijas komplekts. Datu pārraides ātrums GPS tīklā reti pārsniedz 50 b/s. Un, tiklīdz signāls tiek pārtraukts radio traucējumu dēļ, meklēšana sākas no jauna.

Satelītu navigācijas nākotne

Tagad GPS un GLONASS tiek plaši izmantoti miermīlīgiem nolūkiem, un faktiski tie ir savstarpēji aizstājami. Jaunākās navigācijas mikroshēmas atbalsta gan sakaru standartus, gan savienojas ar tiem satelītiem, kas tiek atrasti pirmie.

Amerikāņu GPS un krievu GLONASS nebūt nav vienīgās satelītu navigācijas sistēmas pasaulē. Piemēram, Ķīna, Indija un Japāna ir sākušas izvietot savas satelītu sistēmas attiecīgi ar nosaukumu BeiDou, IRNSS un QZSS, kas darbosies tikai savās valstīs un tāpēc tām nepieciešams salīdzinoši neliels satelītu skaits.

Taču, iespējams, vislielākā interese ir par Galileo projektu, ko izstrādā Eiropas Savienība un kas ar pilnu jaudu būtu jāpalaiž līdz 2020. gadam. Sākotnēji Galileo tika iecerēts kā tīri Eiropas tīkls, taču Tuvo Austrumu un Dienvidamerikas valstis jau ir izteikušas vēlmi piedalīties tā izveidē. Tātad drīzumā globālajā CLO tirgū var parādīties “trešais spēks”. Ja šī sistēma būs savietojama ar esošajām un, visticamāk, tā arī būs, patērētāji tikai iegūs – jāpalielinās satelītu meklēšanas ātrumam un pozicionēšanas precizitātei.

Žurnāls "Kapteiņu klubs" Nr.2 1999.g
Raksta kopija tiek publicēta ar redaktoru piekrišanu.

Šis ieraksts vēlreiz skar GPS tēmu. Raksti vairākās pašmāju publikācijās diemžēl nesniedz pietiekamu informāciju par sistēmas organizāciju un uztvērēja rādījumu precizitātes pakāpi. Daudzi laivotāji brīnās: vai instrumentiem var akli uzticēties vai arī tie jāuztver tikai kā papildinājums tradicionālajām pozīcijas noteikšanas metodēm? Un kāpēc jahtas, kas aprīkotas ar šiem modernākajiem navigācijas līdzekļiem, dažkārt nokļūst uz akmeņiem tālu no paredzētā kursa? Šis raksts ir mēģinājums apkopot informāciju, kas, pēc autora domām, var palīdzēt GPS lietotājiem.

"Visas navigācijas iekārtas tiek ražotas un pārdotas tikai kā palīglīdzeklis navigācijai. Lietotājs ir atbildīgs par savu navigācijas prasmju uzlabošanu neatkarīgi no iegādātā aprīkojuma."
(No lietošanas rokasgrāmatas.)

Kā darbojas un darbojas GPS sistēma

NAVSTAR GPS (NAvigation Satellite Timing And Ranging Global Positioning System) koncepcijas izstrāde sākās 1973. gadā. Tolaik modernākās radionavigācijas sistēmas (RNS), uz zemes izvietotās Loran-C un Omega un satelītu (SNS) Transit, vairs nav. atbilda militārajām prasībām attiecībā uz precizitāti un spēju jebkuros laikapstākļos, diennakts darbību un pārklājuma zonu. 1978. gada februārī tika palaists pirmais eksperimentālais GPS satelīts. GPS civilā izmantošana tika plaši apspriesta 1983. gadā pēc Dienvidkorejas lidmašīnas avārijas, kas tika notriekta virs Kuriļu salām. Prezidents Reigans paziņoja, ka GPS ir jābūt pieejamam ikvienam.

GPS sistēma nodrošina divu veidu pakalpojumus: SPS - standarta precizitāte (civilajiem lietotājiem) un PPS - augsta precizitāte (militārajiem lietotājiem). Kad sistēma tika izstrādāta, SPS precizitāte 100 m tika uzskatīta par pietiekamu civilām vajadzībām. Testēšanas gaitā SPS apakšsistēma izrādījās precīzāka, nekā gaidīts. Lai saglabātu augstas precizitātes priekšrocības militārpersonām, kopš 1990. gada marta tika ieviests SA (Selective Availability) “piekļuves ierobežošanas” režīms, mākslīgi samazinot civilās GPS precizitāti.

Sistēma saņēma ugunskristību operācijas Desert Storm laikā. Tajā laikā vēl nebija palaists pietiekami daudz satelītu. Bija nepieciešams manevrēt esošās, lai nodrošinātu kaujas zonas diennakts pārklājumu. Interesanti, ka 1989. gada septembrī MAGELLAN SYSTEMS CORP. Izlaida GPS uztvērēju - "NAV-1000M" - militāram lietojumam, un to izvēlējās 10 NATO dalībvalstis kā uztvērēju piegādātāju. Vairāk nekā 3000 NAV-1000M uztvērēju, cita starpā, izmantoja ASV un koalīcijas spēki Persijas līča kara laikā. Pēc tam sauszemes vienības un jūras kājnieki galvenokārt bija aprīkoti ar pārnēsājamiem vienkanāla uztvērējiem, līdzīgiem civilajiem un nespēja uztvert augstas precizitātes signālus. Tika nolemts uz kaujas laiku atspējot SA režīmu, kas ļāva arī ienaidniekam izmantot augstu precizitāti.

Līdz 1993. gada vidum orbītā jau atradās 24 satelīti, kas bija pietiekami nepārtrauktai navigācijai jebkurā vietā uz Zemes. Par galīgo sistēmas nodošanu ekspluatācijā tika paziņots tikai 1995. gada jūlijā.

1996. gadā prezidents Klintons apstiprināja, ka sistēma, ko darbina Amerikas nodokļu maksātāji, turpinās sniegt pakalpojumus civilajiem lietotājiem visā pasaulē arī nākamajā gadsimtā. Tika paziņots, ka līdz 2006. gadam "piekļuves ierobežojumu" režīms tiks atcelts. ASV prezidents patur tiesības valsts drošības apdraudējuma gadījumā samazināt GPS signālu precizitāti.

GPS sistēma sastāv no trim daļām: telpas, zemes un lietotāju aprīkojums.

Kosmosa daļa sastāv no 24 satelītiem, kas rotē 6 orbītās. Orbītu slīpums pret zemes ekvatoru ir 55 grādi, leņķis starp orbītas plaknēm ir 60 grādi. Orbītu augstums 20180 km, orbītas periods 12 stundas Satelīta raidītāja jauda ir 50 W. Ieviešot uzlabotus satelītus, bieži signāla zudumi ir pagātnē. GPS satelīti spēj aizpildīt sistēmas nepilnības, pārvietojoties (ja kāds no tiem neizdodas). Svarīgs satelīta elements ir atompulksteņi, rubīdijs un cēzijs, pa četriem katrā. Satelītus identificē ar PRN (pseido nejaušības numuru), kas tiek parādīts GPS uztvērējā.

GPS zemes daļa sastāv no 4 izsekošanas stacijām, kas atrodas uz tropu salām. Viņi izseko redzamos satelītus un pārsūta datus uz Kolorādospringsas gaisa spēku bāzes komandu un vadības staciju (MCS), lai tos apstrādātu sarežģītos datoru programmatūras modeļos. Šīs datu kopas sauc par efemerīdiem. Caur zemes stacijām dati tiek pārsūtīti atpakaļ uz satelītiem, un pēc tam satelīts tos pārsūta uz GPS uztvērējiem.

GPS signāli

Visas GPS frekvences ir daudzkārtējas ar satelīta primāro pulksteņa frekvenci, 10,23 MHz. Satelīts pārraida signālus L1=1575,42 MHz un L2=1227,6 MHz joslās. Signāli satur divu veidu informāciju: “navigācijas ziņojumi” un “pseidogadījuma kods” (1. att.). Kods ir vieninieku un nulles secība, no pirmā acu uzmetiena šķietami nejauša, bet mainās saskaņā ar sarežģītu likumu. Pseidogadījuma kods satur satelīta numuru (PRN).

Ir divu veidu kodi. Civilā GPS izmanto C/A (Coarse Acquisition) – kodu, kas tiek pārraidīts tikai L1 frekvencē. Viens koda cikls sastāv no 1023 bitiem un tiek atkārtots 1000 reižu (sek. Militārais augstas precizitātes GPS izmanto P-kodu (Precise), kas tiek pārraidīts abās frekvencēs L1 un L2.

Navigācijas ziņojumi tiek pārraidīti ar ātrumu 50 biti/sek, papildus modulējot nesējfrekvenci ar pseidogadījuma kodu. Katrs ziņojums sastāv no 25 “gabaliem” (lapām), katrs pa 1500 bitiem. Pilns visa ziņojuma pārraides cikls aizņem 12,5 minūtes. Navigācijas ziņojumā ir iekļauti "efemerīda dati" un "almanaha dati"; dati par laiku GPS sistēmā un koeficienti tā pārvēršanai universālajā laikā, atslēgvārdi P-kodam un īpašie ziņojumi. Efemerīdi ir dati par satelīta stāvokli un tā orbītas parametriem - koeficienti, ar kuru palīdzību uztvērējs aprēķina satelīta pašreizējo un turpmāko pozīciju, izmantojot matemātisko Keplera modeli. Turklāt šie ziņojumi satur korekcijas koeficientus satelīta pulksteņiem un jonosfēras izplatīšanās aizkavi C/A koda lietotājiem. Almanahs ir dati par efemerīdu un atlikušo sistēmā esošo satelītu stāvokli (glabājas uztvērēja atmiņā). Pateicoties šiem datiem, uztvērējs vienmēr “zina”, kur atrodas visi sistēmas satelīti, pat ja tas tos neredz, un kurus satelītus vislabāk izmantot koordinātu noteikšanai.

Kā GPS uztvērējs nosaka savu pozīciju?

GPS sistēma izmanto metodi, lai noteiktu attālumu līdz satelīta orientieriem, ko nosaka, izmantojot pseidogadījuma kodu. Lai to izdarītu, uztvērējs vienlaikus ģenerē savu iekšējo kodu, lai tas precīzi dublētu satelīta kodu. Uztvērējs salīdzina laika starpību starp satelīta koda atbilstošās daļas saņemšanu ar to pašu sava koda daļu. Zinot laika nobīdi un radioviļņu izplatīšanās ātrumu, uztvērējs uztver attālumu līdz satelītam, ko sauc par pseido diapazonu, un no diviem attālumiem var noteikt precīzu tā atrašanās vietu (2. att.) Kāpēc “pseido”? Problēma ir nodrošināt, ka tiek ģenerēti uztvērēja un satelīta pseidogadījuma kodi vienlaikus. No satelīta puses šeit nav nekādu grūtību. Satelīta pulksteņi ir ļoti precīzi un tiek pielāgoti, pamatojoties uz signāliem no Zemes. Uztvērēja pulkstenis ir mazāk precīzs, turklāt ir signāla izplatīšanās aizkavēšanās jonosfērā, troposfērā utt. izveidot kopējo kļūdu (3. att.). Lai to labotu, GPS izmanto attāluma mērījumus no trešā satelīta.

Nosakot divdimensiju koordinātas pa diviem vienāda attāluma apļiem, uztvērējs “nezina”, vai tas patiesībā atrodas uz tiem vai nē. Piemēram, ja uztvērēja pulkstenis ir lēns, patiesā pozīcija būs tuvāk, bet katrā gadījumā proporcionāli tuvāk katram no satelītiem. Ievadot pozīcijas līniju no 3. satelīta, mēs varam iegūt nepārprotamu rezultātu. GPS uztvērējam ir programma, kas ņem informāciju par trim pozīcijas līnijām un atrisina to algebriski. Šie aprēķini sniedz risinājumus trim vienādībām trīs nezināmajiem: garums, platums un pulksteņa kļūda. Tāpēc, lai noteiktu 2D koordinātas, ir nepieciešami vismaz 3 satelīti, bet 3D koordināšu noteikšanai - 4.

Par precizitāti

GPS lietotāju interesē sistēmas faktiskā precizitāte; citiem vārdiem sakot, cik tuvu jūs varat nokļūt kādam navigācijas apdraudējumam, paļaujoties tikai uz GPS uztvērēju? Diemžēl skaidras atbildes uz šo jautājumu nav. Tas ir saistīts ar GPS kļūdu statistisko raksturu.

GPS kļūdu cēloņi

SA režīms
Miera laikā tas pievieno vairāku desmitu metru kļūdu; Īpašos gadījumos var tikt ieviestas simtiem metru kļūdas. (ASV valdība ir atbildīga par sistēmas veiktspēju miljoniem lietotāju, un var sagaidīt, ka tik ievērojams precizitātes samazinājums netiks ieviests bez pietiekami nopietniem iemesliem.) Panākts, haotiski pārbīdot pseidogadījuma pārraides laiku. kodu. Kļūdas, kas rodas no SA, ir nejaušas un vienādi iespējamas katrā virzienā. SA ietekmē arī GPS virziena un ātruma precizitāti. Šī iemesla dēļ stacionārais uztvērējs bieži rāda nedaudz mainīgu ātrumu un virzienu. Tātad zināmā mērā SA ietekmes apmēru var novērtēt, periodiski mainot GPS virzienu un ātrumu.

Radioviļņu izplatīšanās aizkavēšanās jonosfērā un troposfērā
Radioviļņu ātrums vakuumā ir nemainīgs, bet signālam nonākot atmosfērā tas mainās. Laika aizkave ir atšķirīga signāliem no dažādiem satelītiem. Radioviļņu izplatīšanās kļūdas ir atkarīgas no atmosfēras stāvokļa un satelīta augstuma virs horizonta: jo zemāks ir satelīts, jo garāks ir signāla ceļš caur atmosfēru un jo lielāks ir izkropļojums. Lielākā daļa uztvērēju izslēdz signālu izmantošanu no satelītiem, kuru augstums virs horizonta ir mazāks par 7,5. (Atmosfēras traucējumi ir atkarīgi arī no diennakts laika: pēc saulrieta samazinās jonosfēras blīvums un tās ietekme uz radiosignāliem (īsviļņu radio operatoriem labi zināma parādība).

Atstarotā signāla efekts (daudzceļu)
Papildus tiešajam signālam no satelīta uztvērējs var uztvert arī signālus, kas atspoguļoti no akmeņiem, ēkām un garāmbraucošiem kuģiem. Ja tiešo signālu no uztvērēja bloķē virsbūves vai takelāžas, atstarotais signāls var būt spēcīgāks. Šis signāls virzās garāku ceļu, un uztvērējs “domā”, ka atrodas tālāk no satelīta, nekā tas ir patiesībā. Šīs kļūdas ir daudz mazākas par 100 m, jo tikai tuvu esošie objekti var dot pietiekami spēcīgu atbalsi.

Satelīta ģeometrija
Atkarīgs no atrašanās vietas attiecībā pret satelītu uztvērēju, pēc kura tiek noteikta pozīcija. Ja uztvērējs "noķēra" četrus satelītus, un tie visi atrodas ziemeļos, tad satelīta ģeometrija ir slikta. Rezultāts ir kļūda līdz 90-150 m vai pat nespēja noteikt koordinātas. (Visi četri izmēri ir no viena virziena, un to krustojuma laukums ir pārāk liels; 4. att.)

Ar tiem pašiem 4 satelītiem precizitāte ievērojami palielinās, ja tie vienmērīgi atrodas horizonta malās. Šajā gadījumā pat ar SA precizitāte sasniedz 30 m un augstāka.

Satelīta ģeometriju mēra ar PDOP (precizitātes pozīcijas atšķaidīšanas) vai HDOP (horizontālās precizitātes atšķaidīšanas) koeficientu. Ideālā satelītu atrašanās vieta atbilst PDOP=1; lielas vērtības norāda uz sliktu satelīta ģeometriju. PDOP tiek izmantots kā citu kļūdu reizinātājs. Katram uztvērēja izmērītajam pseido diapazonam ir sava kļūda, kas ir atkarīga no atmosfēras traucējumiem, kļūdām efemerā, SA, atstarotā signāla utt. Tātad, ja šo kļūdu aptuvenās vērtības kopā ir 50 m un PDOP = 1,5, tad gaidāms atrašanās vietas kļūda būs 75 m.

GPS uztvērēji sniedz informāciju atšķirīgi, lai novērtētu precizitāti, izmantojot PDOP. Papildus HDOP tiek izmantots GQ (ģeometriskā kvalitāte, HDOP inverss) vai kvalitatīvs vērtējums punktos. Daudzi mūsdienu uztvērēji parāda EPE (aptuvenās pozīcijas kļūdu) tieši attāluma vienībās. EPE ņem vērā satelītu atrašanās vietu un signāla kļūdu prognozi katram satelītam atkarībā no SA, atmosfēras apstākļiem, satelīta pulksteņa kļūdām, kas tiek pārraidītas kā daļa no efemerīda informācijas.

Satelīta ģeometrija arī kļūst par problēmu, lietojot GPS uztvērēju transportlīdzekļos, blīvos mežos, kalnos vai augstu ēku tuvumā. Kad signāli no atsevišķiem satelītiem tiek bloķēti, atlikušo satelītu pozīcija noteiks, cik precīza būs GPS pozīcija (un to skaits rādīs, vai atrašanās vietu vispār var noteikt).

Labs GPS uztvērējs parādīs ne tikai tos satelītus, kas tiek izmantoti, bet arī to atrašanās vietu (azimutu un augstumu), lai jūs varētu noteikt, vai konkrētajam satelītam ir uztveršanas grūtības. 5. attēlā ir parādīts slikta satelīta izvietojuma piemērs GPS displejā: satelīti Nr. 22, 01 un 09 nav redzami. Šādā situācijā var sagaidīt lielas garuma kļūdas; platums droši vien tiks noteikts diezgan precīzi.

Kvantitatīvās noteikšanas precizitāte

Vienkāršs tests, lai skaidri redzētu GPS uztvērēja precizitāti, ir periodiski ierakstīt stacionāra uztvērēja rādījumus pietiekami ilgā laika periodā. Piemēram, reizi 2 minūtēs. vienas dienas laikā. To ir vieglāk izdarīt, ja jums ir ploteris vai dators, kas savienots ar GPS. Uzzīmējot iegūtās koordinātas planšetdatorā, mēs iegūstam attēlu, kas līdzīgs att. 7.

Tiek uzskatīts, ka GPS pozīcijas sadalījums diezgan labi atbilst parastajam (Gausa) likumam. Tas nozīmē, ka lielākam mērījumu skaitam novirze vai sistemātiskā kļūda ir nulle. Civilā GPS nodrošina precizitāti bez SA 15 metriem RMS un SA režīmā 2DRMS=100 m. Ko tas nozīmē? RMS (Root Mean Square) - kvadrātsakne no garuma un platuma noviržu kvadrātu summas, dalīta ar mērījumu skaitu. 65% punktu atrodas RMS rādiusa aplī. 2DRMS nozīmē dubultā RMS. Telpiskajam divdimensiju Gausa sadalījumam 95% punktu ietilpst intervālā plus vai mīnus 2DRMS, ja sadalījums ir eliptisks (dažādas platuma un garuma kļūdas), un ar apļveida sadalījumu - līdz 98%. GPS pozīcijas sadalījums kļūst eliptisks, ja debesis vienā pusē ir slēgtas signāliem.

GPS un "Problēma-2000"

GPS vadība sola, ka visi zemes dienesti būs pilnībā sagatavoti, un šī problēma satelītu signālu pārraidi neietekmēs. Vēl viens nozīmīgs GPS sistēmas notikums, kas pazīstams kā "GPS sistēmas laika maiņa", notiks pusnaktī no 1999. gada 21. līdz 22. augustam, kad beidzas 1024 nedēļu cikls, kurā tiek mainīti satelīta navigācijas ziņojumi, un atpakaļskaitīšana sākas no jauna.

Lielāko daļu moderno uztvērēju ražotāji apgalvo, ka viņu produkti ir pasargāti no šīm problēmām, taču, lai būtu drošībā, vecāku GPS modeļu īpašniekiem ieteicams konsultēties ar piegādātājiem. Autors uzskata, ka pēc 1999. gada 22. augusta un 31. decembra pusnakts (pēc Griničas laika) vienlaikus ir jāpārbauda GPS rādījumu pareizība, izmantojot citus navigācijas līdzekļus. It īpaši, ja uztvērējs rāda nepareizu datumu vai laiku.

Secinājums

Lielāko daļu laika GPS nodrošina augstu precizitāti, dažu desmitu metru robežās, kas ir pietiekama navigācijai normālos apstākļos. Taču lietotājam ir svarīgi, lai dažos brīžos būtu iespējamas novirzes līdz pat kabeļa garumam vai vairāk. Šādu kļūdu iespējamība ir ārkārtīgi maza, taču to nevajadzētu atstāt novārtā. Vienmēr ir ieteicams izmantot vairāk nekā vienu navigācijas rīku. Lemjot par GPS rādījumu ticamības pakāpi, varat ņemt vērā šādas pazīmes:

Uztvērēja informācija par satelītu atrašanās vietu. Maksimālās kļūdas ir iespējamas, nelabvēlīgi kombinējot precizitāti un, pirmkārt, satelīta ģeometriju ietekmējošo faktoru augstākās vērtības. Jūsu uztvērējā, kas parasti rādīja EPE 20-40 m, parādījās 60 m vai vairāk.);
debesu redzamība virs uztvērēja antenas;
GPS pozīcijas izmaiņas salīdzinājumā ar iepriekšējo periodu (uzzīmēšana veikta lielā mērogā).
kursa un ātruma atbilstība pēc GPS kompasa un žurnāla rādījumiem.
objektu klātbūtne, kas atspoguļo signālu.

Turklāt ir pareizi teikt, ka karšu koordinātu sistēmas (Map Datum) ir saistītas ar dažādiem zemes elipsoīda modeļiem, ko izmanto karšu veidošanā dažādās valstīs. Atšķirība starp tām var sasniegt 500 m Strādājot ar GPS un karti, lietotājam tas ir jāņem vērā un jāveic attiecīgi pielāgojumi.

Un pēdējā lieta. Iepriekš tika ņemta vērā tikai paša GPS uztvērēja precizitāte. Un maksimālās navigācijas kļūdas, izmantojot GPS, tiek summētas no visas ķēdes maksimālajām kļūdām: satelīti - uztvērējs - lietotājs - karte - lietotājs.

Par palīdzību materiāla sagatavošanā autore pateicas uzņēmumiem NAVICOM, TRANSAS MARINE, ALTAIR un Peter Dan kungam (Teksasas štata universitāte), (www.host.cc.utexas.edu.ftp?pub/grg/gcraft/notes). /gps/gps.html).

Publikācija tika sagatavota, pamatojoties uz materiāliem no interneta un Dahl, Bonnie. GPS lietotāja rokasgrāmata — globālā pozicionēšanas sistēma. Richardson Marine Publishing, 1993. gads.

Aleksandrs Samoilovs

Varētu būt noderīgi izlasīt: