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.

---

В задачи сегмента управления и контроля (Operational Control System) входит слежение за спутниками для определения параметров их орбит (эфемерид) и поправок часов относительно системного времени GPS, прогноз орбит спутников и их местоположения на орбитах (прогноз эфемерид), временная синхронизация часов относительно времени системы, загрузка навигационного сообщения в бортовые компьютеры спутников. Главная станция управления и контроля (Consolidated Space Operations Center) находится в Колорадо-Спрингс (США). Центр собирает и обрабатывает данные со станций слежения, вычисляет и предсказывает эфемериды спутников, а также параметры хода часов.

Затем данные передают на одну из трех наземных станций для закладки информации в память бортовых компьютеров. Пять станций слежения за спутниками, равномерно расположенные по всему миру, каждые полторы секунды определяют дальность до всех находящихся над горизонтом спутников. Данные слежения передаются на главную станцию управления и контроля.

Пользователи системы разделяются на категории по нескольким признакам: военные и гражданские, авторизованные и неавторизованные, навигаторы и геодезисты. Задачи навигации в значительной мере сводятся к определению текущих координат транспортного средства с ошибкой 10-15 м, а также к определению скорости и направления его движения. Кроме того, навигационный приемник указывает требуемый и реальный курс на заданный объект, отклонение от маршрута, предписывает маневры, желательные для возвращения на курс. Навигационный режим измерений является кодовым, поскольку приемник обрабатывает сигнал спутника именно как кодовый сигнал.

Измеряемыми величинами являются: задержка сигнала и доплеровское смещение частоты, позволяющие вычислять дальность и радиальную скорость. При геодезических измерениях точность определения текущих координат на несколько порядков выше, чем в навигации. В этом случае одновременно работают несколько приемников, причем по крайней мере один из них должен быть установлен на пункте с известными координатами. Геодезический приемник кроме анализа кодовой последовательность непрерывно регистрирует мгновенное значение фазы. Обработка этих данных специальным программным обеспечением позволяет достигать сантиметровой точности в определении местоположения.

Одновременное обеспечение требований по измерению дальности и скорости при простой структуре сигнала невозможно, поэтому приемлемым для таких измерений является использование шумоподобных сигналов, таких, например, как псевдослучайная последовательность импульсов. Упрощенный вид подобного сигнала представлен на рисунке. Здесь фаза высокочастотной несущей модулируется навигационным кодом, который содержит дальномерный код (его автокорреляционная функция имеет очень острый максимум) и код двоичной служебной информации.

Такой принцип формирования сигнала системы позволяет по измерению доплеровского сдвига частоты несущей определять скорости, а по задержке элементов дальномерного кода — дальность до спутника, при этом служебный код несет всю вспомогательную информацию (эфемериды спутников, альманах системы и др.), необходимую для обеспечения работы навигационного приемника.

Глава 3. Принцип работы систем спутниковой навигации

Возможность определять координаты вне зависимости от капризов природы и времени суток появилась с началом освоения космоса. Днем рождения спутниковой навигации принято считать 4 октября 1957 года, когда был запущен первый искусственный спутник Земли. Однако лишь в конце 70-х годов была создана первая спутниковая радионавигационная система (СРНС), которая позволяла определить координаты объекта при помощи радиосигналов, передаваемых со спутника.

СРНС применяются для определения положения и ориентации сухопутных, воздушных и морских подвижных объектов. При строительстве туннеля под Ла-Маншем строители начали копать с противоположных сторон, сопоставляя свои местоположения при помощи СРНС NAVSTAR (GPS), что, в результате, позволило им встретиться ровно посередине. Системы навигации используются геодезистами, спасателями, работают на баллистических ракетах. Не первый год за рубежом в комплектацию некоторых моделей автомобилей входит приемник GPS-сиг-налов (при ввозе автомобилей в Россию приемники отключаются — этого требует наше законодательство).

Основными требованиями, которые предъявляются к СРНС, являются точность определения координат и времени и возможность получать навигационную информацию в любой момент. СРНС первого поколения — «Транзит» в США и «Цикада» в СССР — этим требованиям не удовлетворяли: во-первых, длительные перерывы между сеансами навигации (до 30 минут в приполярных районах и до 2 часов в экваториальных) не позволяли пользователю определять свое местоположение, когда захочется. Во-вторых, погрешность определения горизонтальных координат подвижного объекта была довольно большой — от 10 до 100 м. Кроме того, СРНС первого поколения не давали информации о высоте и скорости объекта.

В СРНС второго поколения был внесен ряд изменений. Проблема точности и оперативности определения координат была решена за счет увеличения количества спутников в системе.

Чтобы пользователь мог в любой момент узнать свое местоположение и время, необходимо было обеспечить одновременную радиовидимость как минимум четырех спутников, расположенных определенным образом.

Для решения этой задачи достаточно, чтобы на орбите находилось 18 спутников, однако было решено использовать 24 — для повышения точности определения координат самих спутников.

Принцип работы систем спутниковой навигации таков. Приемник навигационных сигналов измеряет задержку распространения сигнала от каждого из видимых спутников до приемника. Задержка сигнала, умноженная на скорость света, — это расстояние от спутника в момент излучения до приемника в момент приема. Из принятого сигнала приемник получает информацию о положении спутника.

Геометрически работу спутниковой навигационной системы можно продемонстрировать следующим образом: пользователь находится в точке пересечения нескольких сфер, центрами которых являются видимые спутники. Радиусы сфер равны дальности до каждого из спутников. Для определения широты и долготы приемнику необходимо принимать сигналы как минимум от трех спутников; прием сигнала от четвертого спутника позволяет определить и высоту объекта над поверхностью. Эти данные позволяют найти координаты пользователя, решив некоторую систему уравнений. При определении координат объекта возникают ошибки, связанные с влиянием ионосферы, температуры воздуха, атмосферного давления и влажности (каждый фактор вносит погрешность до 30 м). Эфемеридная погрешность (разница между расчетным и реальным положением спутника) составляет от 1 до 5 м; интерференция тоже вносит свой вклад. Суммарная ошибка может достигать 100 м. 

Для уменьшения погрешностей используется так называемый дифференциальный режим GPS (Differential GPS). В этом режиме приемник пользователя получает поправки к своим координатам от базовой станции. Обычно поправки передаются в реальном времени по радиоканалу. В результате точность определения координат достигает 1-5 м. Новым классом систем относительной навигации являются системы, обеспечивающие (в реальном времени) точность местоопределения порядка 1 см. Суть технологии такова: опорная станция и приемник пользователя получают сигналы от спутников. Затем опорная станция посылает результаты измерения фазы и псевдодальности всех видимых спутников на приемник пользователя. В результате обработки на приемнике относительные координаты определяются с точностью до 1 см в реальном времени с надежностью 0,999.

На сегодняшний день существует две крупные спутниковые радионавигационные системы: NAVSTAR и ГЛОНАСС.

NAVSTAR

NAVSTAR (Navigation System with Time and Ranging) (или Global Positioning System — GPS) — СРНС, созданная в США при реализации проекта СОИ. В ее создание было вложено более 19 млрд. долларов. Система работает в двух режимах: PPS (Precise Positioning Service — высокая точность измерений) и SPS (Standard Positioning Service — стандартная точность измерений). PPS-режим используется в основном военными и обеспечивает точность до нескольких сантиметров, а режим SPS (благодаря заботе Минобороны США о национальной безопасности) позволяет определить координаты объекта лишь с точностью до 100 м. Отметим, что режим SPS стал общедоступен только после гибели «Боинга 747» над Татарским проливом в 1983 году.

СРНС NAVSTAR состоит из космического сегмента, сегмента контроля и пользовательского сегмента. Космический сегмент образуют 24 спутника, которые находятся на шести орбитах (по четыре спутника на каждой) на высоте примерно 20200 км. Период их обращения составляет около 12 ч., угол наклона орбиты относительно плоскости экватора — 55… Рабочих частот, на которых излучаются навигационные сигналы NAVSTAR, две: 1227,6 МГц (диапазон L1) и 1575,42 МГц (диапазон L2). В диапазоне L1 излучаются сигналы С/А, предназначенные для гражданских пользователей, а также сигналы военного кода P (который может заменяться зашифрованной версией — Y-кодом) в режиме PPS. В диапазоне L2 передаются только сигналы военного кода. Аппаратура пользователя принимает сигналы в обоих диапазонах, что позволяет исключить ионосферные погрешности.