Б. Леонтьев - GPS: Все, что Вы хотели знать, но боялись спросить

• Название: GPS: Все, что Вы хотели знать, но боялись спросить
• Автор: Б. Леонтьев
• Издательство: Бук-Пресс
• Жанр: Все книги в жанре Компьютерное "железо"
• Год: 2006

Определение своего положения с помощью GPS навигатора, отдельного прибора, или устройства, встроенного в карманный компьютер или сотовый телефон, уже стало совершенно обычной вещью.

Постепенно столь же привычным становится определение положения объекта с помощью систем телематики на основе GPS/GSM/GPRS, когда на мониторе компьютера или экранчике сотового телефона можно увидеть участок карты с отметкой, где находится другой человек или его автомобиль.

«GPS» — это первые буквы английских слов «Global Positioning System» — глобальная система местоопределения. GPS состоит из 24 искуственных спутников Земли, сети наземных станций слежения за ними и неограниченного количества пользовательских приемников-вычислителей. «GPS» предзначенна для определения текущих координат пользователя на поверхности Земли или в околоземном пространстве.

По радиосигналам спутников GPS-приемники пользователей устойчиво и точно определют текущие координаты местоположения. Погрешности не превышают десятков метров. Этого вполне достаточно для решения задач НАВИГАЦИИ подвижных объектов (самолеты, корабли, космические аппараты, автомобили и т.д.).

Как и многие многоцелевые вещи в нашем быту, приемник системы глобального позиционирования (GPS) по мере знакомства с ним обнаруживает массу полезных свойств, даже сверх тех, для которых он был приобретен первоначально. Оказывается существует много любопытных вопросов, на который он с легкостью отвечает, — например, какую скорость вы развиваете при ходьбе, какое расстояние вы преодолеваете при занятии бегом и с какой максимальной и средней скоростью, какую скорость вы развили, спускаясь с горы на лыжах, насколько точен спидометр вашего автомобиля и т. д. Однако основное его назначение — определение координат.

---

Со временем навигационные комплексы LAAS, работающие в коротковолновом диапазоне, смогут обеспечить приземление при нулевой видимости с использованием канала L-5. Военно-морские силы США разрабатывают для авианосцев систему точного наведения и посадки самолета JPALS, в основе которой лежит принцип D-GPS-системы, работающей с каналами L-1 и L-2. При заходе на посадку и приземлении летчик морской авиации должен контролировать расстояние до палубы авианосца с точностью до 1 м, чтобы специальный крюк на корпусе самолета смог зацепить тормозной канат. Испытания системы JPALS начнутся в 2006 г.

Ученые и инженеры уже трудятся над созданием GPS-системы третьего поколения. Запуск новых спутников произойдет не ранее 2012 г. За счет использования спутниковой связи и установки на них более мощных вычислительных комплексов существенно расширятся u1074 возможности системы.

Глава 2. Cистема позиционирования

Очевидно, что любому человеку, сознательно или интуитивно, хочется знать, где он находится. В житейских случаях он задает свое местоположение относительно знакомых ему ориентиров. Например: «Я нахожусь по такому-то адресу». Или: «Я лечу где-то посередине между Жмеринкой и Парижем». Самой же универсальной формой задания местоположения, той, которой пользуются навигаторы и геодезисты, является использование какой-либо системы координат. Поэтому, прежде чем говорить о позиционировании, необходимо сказать о том, что такое координаты пункта в нашем понимании.

Рассмотрим геоцентрические системы координат. Их начало совпадает с центром (или, точнее говоря, с центром масс) Земли. Глобальная система позиционирования использует прямоугольную (декартову) систему X, Y, Z и эллипсоидальную систему B, L, H. Поясним, о каком эллипсоиде идет речь. Общеземной эллипсоид является самой простой в математическом смысле моделью Земли. Эллипсоид подбирают так, чтобы его поверхность как можно ближе подходила к поверхности геоида. Геоид можно представить себе как поверхность, совпадающую с невозмущенной поверхностью мирового океана и мысленно продолженную под материками. В строгом определении геоид — это уровневая поверхность, содержащая точку, принятую за начало отсчета высот. В России таковой является нуль-пункт кронштадтского футштока. Опорными плоскостями в рассматриваемых системах координат являются плоскость экватора и плоскость начального (гринвичского) меридиана. От экватора отсчитывают геодезические широты B. От Гринвича отсчитывают геодезические долготы L. Геодезические высоты H отсчитывают от поверхности эллипсоида по нормали. К этому же эллипсоиду относится и прямоугольная система координат. С осью суточного вращения Земли совпадает малая ось эллипсоида и ось Z, проходящая через северный полюс. Ось X является линией пересечения плоскости экватора и плоскости гринвичского меридиана. Ось Y также лежит в плоскости экватора. Системы спутниковой радионавигации не исключение. Рассмотрим несколько основополагающих идей.

А — местоопределение по расстоянию до спутников. Зная координаты навигационных спутников и умея измерять расстояние до них, определить координаты наблюдателя — дело техники. Например, если мы знаем, что от нас до навигационного спутника, скажем, 11 тыс. км, то это значит, что мы находимся где-то на воображаемой сфере радиусом в 11 тыс. км с центром, совпадающим с этим спутником. Если одновременно с этим расстояние до другого спутника составляет 12 тыс. км, то наше местоположение будет где-то на окружности, являющейся пересечением двух таких сфер. И, наконец, знание дальности до третьего спутника сократит количество возможных точек нашего местонахождения до двух, одна из которых будет находиться где-то далеко в космосе (и мы ее отбрасываем), а другая — на земле, рядом с нами.

Б — измерение расстояния до спутника. Школьная истина гласит: «расстояние есть скорость, умноженная на время движения». Навигационный приемник так и работает. Он измеряет время, за которое радиосигнал доходит от спутника до нас, а затем по этому времени вычисляет расстояние. Главной трудностью при измерении времени прохождения радиосигнала является точное выделение момента его передачи со спутника. Для этого на спутнике и в приемнике в одно и то же время генерируется одна и та же кодовая последовательность. Теперь остается только сравнить время их рассогласования, умножить его на скорость распространения радиоволн, и, казалось бы, дело в шляпе. Однако если спутник и приемник имеют расхождение временных шкал только в одну сотую секунды, то ошибка измерения расстояния составит около 3 тыс. км!

В — совершенная временная привязка. Чтобы избежать таких ошибок, на спутнике устанавливают атомные часы, точность которых составляет наносекунды, а стоимость — сотню тысяч долларов. Иметь такие же часы в приемнике — слишком дорогое удовольствие. Однако можно обойтись и простыми часами, если измерять дальность не до трех, а до четырех спутников. В этом случае четыре неточных измерения (с «расстроенными» часами) позволяют исключить относительное смещение шкалы времени приемника. И вот каким образом. Предположим, часы приемника несовершенны, не сверены с единым временем навигационной системы и отстают от него, например, на полсекунды. Если измерить время прохождения сигнала от четырех спутников и получить неистинные или псевдодальности до них, то окажется, что воображаемые сферы с радиусами, соответствующими этим псевдодальностям, не пересекаются в одной точке. Тогда для уточнения дальностей компьютер приемника прибавляет ко всем измерениям (или вычитает) некоторый один и тот же интервал времени до тех пор, пока не найдет решение, при котором все четыре воображаемые сферы пересекаются в одной точке.

Г — определение положения спутника в космическом пространстве. Чтобы все вышеизложенное успешно выполнялось, необходимо точно знать местоположение каждого навигационного спутника. Для этого, во-первых, спутники запускают на высокие орбиты (около 20 тыс. км), где движение стабильно и прогнозируемо с большой точностью. А во-вторых, незначительные изменения в орбитах постоянно отслеживаются. При этом сведения о местоположении спутника записываются в память бортового компьютера и затем передаются на приемник вместе с кодовой последовательностью.

Д — коррекция задержек сигнала. Как бы совершенна ни была система, есть несколько источников погрешностей, которые очень трудно избежать. Самые существенные из них возникают при задержке радиосигнала в ионосфере (слое заряженных частиц на высоте 120-200 км) и тропосфере (8-18 км) Земли. Величина задержек непостоянна и зависит от солнечной активности и погодных условий.

Существуют два метода, которые можно использовать, чтобы сделать ошибку минимальной. Во-первых, мы можем предсказать, каково типичное изменение скорости распространения радиоволн в обычный день, при средних ионосферных условиях, а затем ввести поправку в измерения. Но, к сожалению, не каждый день является обычным.

Другой способ состоит в использовании двух частот несущих колебаний. По разности задержек двух разночастотных сигналов нетрудно выяснить величину замедления скорости света в атмосфере.

В американской GPS используется World Geodetic System (WGS84) — всемирная геодезическая система, принятая в 1984 году. В глобальной навигационной спутниковой системе «Глонасс» используется ПЗ90 — система параметров Земли, принятая в 1990 году. Они отличаются параметрами земного эллипсоида, поэтому координаты, используемые в этих геодезических системах, могут расходиться на 100-150 м.

Global Positioning System (GPS) переводится как глобальная система позиционирования. Термин «позиционирование» — более широкий по отношению к термину «определение местоположения». Позиционирование помимо определения координат включает определение вектора скорости движущегося объекта. Полное название системы GPS Navstar (Navigation System with Time and Ranging) — навигационная система на основе временных и дальномерных измерений.

GPS состоит из трех частей: космического сегмента, сегмента управления и контроля и сегмента пользователей. Спутниковый сегмент состоит из созвездия функционирующих в эпоху наблюдений спутников. Сегмент управления и контроля содержит главную станцию управления и контроля, станции слежения за спутниками и станции закладки информации в бортовые компьютеры спутников. Сегмент пользователя — это совокупность спутниковых приемников, находящихся в работе.

Номинально в каждый момент времени имеется 24 работающих спутника, которые распределены по шести круговым орбитам. На каждой орбите, таким образом, находится четыре спутника. Плоскости орбит разнесены по долготе на 60 градусов. Наклон плоскости орбиты к плоскости экватора составляет 53 градуса. Расстояние спутников от поверхности Земли — 20,2 тыс. километров. При такой высоте орбиты период обращения равен половине звездных суток. Наблюдателю это удобно. Он знает, что если сегодня в такое-то время спутник находится в такой-то точке небосклона, то ровно через сутки тот же спутник будет примерно там же. Удобно планировать наблюдения. Самым дорогим оборудованием спутников являются атомные эталоны частоты-времени, обеспечивающие наносекундную точность хода бортовых часов.