\\\ Kak rabotaet GPS
Sistema Global'nogo Pozicionirovaniya (GPS ili Global Positioning System) yavlyaetsya sputnikovoi i rabotaet pod upravleniem Ministerstva Oborony SShA. Sistema yavlyaetsya global'noi, vsepogodnoi i obespechivaet vozmozhnost' polucheniya tochnyh koordinat i vremeni 24 chasa v sutki.

Osnovy sistemy GPS mozhno razbit' na pyat' osnovnyh podpunktov:
Sputnikovaya trilateraciya osnova sistemy
Sputnikovaya dal'nometriya izmerenie rasstoyanii do sputnikov
Tochnaya vremennaya privyazka zachem nuzhno soglasovyvat' chasy v priemnike i na sputnike i dlya chego trebuetsya 4-i kosmicheskii apparat
Raspolozhenie sputnikov opredelenie tochnogo polozheniya sputnikov v kosmose
Korrekciya oshibok uchet oshibok vnosimyh zaderzhkami v troposfere i ionosfere

1.1.1 Sputnikovaya trilateraciya

Tochnye koordinaty mogut byt' vychisleny dlya mesta na poverhnosti Zemli po izmereniyam rasstoyanii ot gruppy sputnikov (esli ih polozhenie v kosmose izvestno). V etom sluchae sputniki yavlyayutsya punktami s izvestnymi koordinatami. Predpolozhim, chto rasstoyanie ot odnogo sputnika izvestno i my mozhem opisat' sferu zadannogo radiusa vokrug nego.

Esli my znaem takzhe rasstoyanie i do vtorogo sputnika, to opredelyaemoe mestopolozhenie budet raspolozheno gde-to v kruge, zadavaemom peresecheniem dvuh sfer.

Tretii sputnik opredelyaet dve tochki na okruzhnosti.

Teper' ostaetsya tol'ko vybrat' pravil'nuyu tochku. Odnako odna iz tochek vsegda mozhet byt' otbroshena, tak kak ona imeet vysokuyu skorost' peremesheniya ili nahoditsya na ili pod poverhnost'yu Zemli. Takim obrazom, znaya rasstoyanie do treh sputnikov, mozhno vychislit' koordinaty opredelyaemoi tochki.

1.1.2 Sputnikovaya dal'nometriya

Rasstoyanie do sputnikov opredelyaetsya po izmereniyam vremeni prohozhdeniya radiosignala ot kosmicheskogo apparata do priemnika umnozhennym na skorost' sveta. Dlya togo, chtoby opredelit' vremya rasprostraneniya signala nam neobhodimo znat' kogda on pokinul sputnik.

Dlya etogo na sputnike i v priemnike odnovremenno generiruetsya odinakovyi Psevdosluchainyi Kod*

* - Kazhdyi sputnik GPS peredaet dva radiosignala: na chastote L1=1575.42 MGc i L2=1227.60 MGc. Signal L1 imeet dva dal'nomernyh koda s psevdosluchainym shumom (PRN), P-kod i C/A kod. Tochnyi ili P-kod mozhet byt' zashifrovan dlya voennyh celei. Grubyi ili C/A kod ne zashifrovan. Signal L2 moduliruetsya tol'ko s P-kodom. Bol'shinstvo grazhdanskih pol'zovatelei ispol'zuyut C/A kod pri rabote s GPS sistemami. Nekotorye priemniki Trimble geodezicheskogo klassa rabotayut s P-kodom.

Priemnik proveryaet vhodyashii signal so sputnika i opredelyaet kogda on generiroval takoi zhe kod. Poluchennaya raznica, umnozhennaya na skorost' sveta (~ 300000 km/s) daet iskomoe rasstoyanie.

Ispol'zovanie koda pozvolyaet priemniku opredelit' vremennuyu zaderzhku v lyuboe vremya. Krome togo, sputniki mogut izluchat' signal na odnoi i toi zhe chastote, tak kak kazhdyi sputnik identificiruetsya po svoemu Psevdosluchainomu kodu (PRN ili PseudoRandom Number code).

1.1.3 Tochnaya vremennaya privyazka

Kak vidno iz skazannogo vyshe, vychisleniya napryamuyu zavisyat ot tochnosti hoda chasov. Kod dolzhen generirovat'sya na sputnike i priemnike v odno i to zhe vremya. Na sputnikah ustanovleny atomnye chasy imeyushie tochnost' okolo odnoi nanosekundy. Odnako eto slishkom dorogo, chtoby ustanavlivat' takie chasy v kazhdyi GPS priemnik, poetomu izmereniya ot chetvertogo sputnika ispol'zuyutsya dlya ustraneniya oshibok hoda chasov priemnika.

Eti izmereniya mozhno ispol'zovat' dlya ustraneniya oshibok, kotorye voznikayut esli chasy na sputnike i v priemnike ne sinhronizirovany. Dlya naglyadnosti, illyustracii privedennye nizhe rassmatrivayut situaciyu na ploskosti, tak kak tol'ko tri sputnika neobhodimo dlya vychisleniya mestopolozheniya ob'ekta.

Esli chasy na sputnike i v priemnike imeyut odinakovuyu tochnost' hoda, to tochnoe mestopolozhenie mozhet byt' naideno po izmereniyam rasstoyaniya do dvuh sputnikov.

Esli polucheny izmereniya s treh sputnikov i vse chasy tochnye, to krug opisannyi radius-vektorom ot tret'ego sputnika budet peresekat'sya kak pokazano na risunke.

Odnako, esli chasy v priemnike speshat na 1 sekundu, to kartina budet vyglyadet' sleduyushim obrazom.

Esli sdelat' zamer do tret'ego sputnika, to poluchennyi radius-vektor ne peresechetsya s dvumya drugimi kak pokazano na risunke.

Kogda GPS priemnik poluchaet seriyu izmerenii kotorye ne peresekayutsya v odnoi tochke, to komp'yuter v priemnike nachinaet vychitat' (ili dobavlyat') vremya metodom posledovatel'nyh iteracii do teh por, poka ne svedet vse izmereniya k odnoi tochke. Posle etogo vychislyaetsya popravka i delaetsya sootvetstvuyushee uravnivanie.

Esli vam trebuetsya tret'e izmerenie, to neobhodim chetvertyi sputnik dlya ustraneniya oshibok hoda chasov v priemnike. Takim obrazom, pri rabote v pole vam neobhodimo imet' minimum chetyre sputnika, chtoby opredelit' trehmernye koordinaty ob'ekta.

1.1.4 Raspolozhenie sputnikov

Sistema NAVSTAR imeet 24 rabochih sputnika s orbital'nym periodom v 12 chasov na vysote primerno 20200 km ot poverhnosti Zemli. V shesti razlichnyh ploskostyah imeyushih naklon k ekvatoru v 55 , raspolozheno po 4 sputnika. Ukazannaya vysota neobhodima dlya obespecheniya stabil'nosti orbital'nogo dvizheniya sputnikov i umen'sheniya faktora vliyaniya soprotivleniya atmosfery.

Ministerstvo Oborony SShA (DoD) osushestvlyaet nepreryvnoe slezhenie za sputnikami. Na kazhdom sputnike raspolozheno neskol'ko vysokotochnyh atomnyh chasov i oni nepreryvno peredayut radiosignaly s sobstvennym unikal'nym identifikacionnym kodom*. MO SShA imeet 4 stancii slezheniya za sputnikami, tri stancii svyazi i centr osushestvlyayushii kontrol' i upravlenie za vsem nazemnym segmentom sistemy. Stancii slezheniya nepreryvno otslezhivayut sputniki i peredayut dannye v centr upravleniya. V centre upravleniya vychislyayutsya utochnennye elementy

sputnikovyh orbit i koefficienty popravok sputnikovyh shkal vremeni, posle chego eti dannye peredayutsya po kanalam stancii svyazi na sputniki po krainei mere odin raz v sutki.

* - Kazhdyi sputnik GPS peredaet dva radiosignala: na chastote L1=1575.42 MGc i L2=1227.60 MGc. Signal L1 imeet dva dal'nomernyh koda s psevdosluchainym shumom (PRN), P-kod i C/A kod. Tochnyi ili P-kod mozhet byt' zashifrovan dlya voennyh celei. Grubyi ili C/A kod ne zashifrovan. Signal L2 moduliruetsya tol'ko s P-kodom. Bol'shinstvo grazhdanskih pol'zovatelei ispol'zuyut C/A kod pri rabote s GPS sistemami. Nekotorye priemniki Trimble geodezicheskogo klassa rabotayut s P-kodom.

1.1.5 Korrekciya oshibok

Nekotorye istochniki oshibok voznikayushih pri rabote GPS yavlyayutsya trudnoustranimymi. Vychisleniya predpolagayut, chto signal rasprostranyaetsya s nepreryvnoi skorost'yu, kotoraya ravna skorosti sveta. Odnako v real'nosti vse gorazdo slozhnee. Skorost' sveta yavlyaetsya konstantoi tol'ko v vakuume. Kogda signal prohodit cherez ionosferu (sloi zaryazhennyh chastic na vysote 130-290 km) i troposferu, ego skorost' rasprostraneniya umen'shaetsya, chto privodit k oshibkam v izmereniya dal'nosti. V sovremennyh GPS priemnikah ispol'zuyut vsevozmozhnye algoritmy ustraneniya etih zaderzhek.

Inogda voznikayut oshibki v hode atomnyh chasov i orbitah sputnikov, no oni obychno neznachitel'ny i tshatel'no otslezhivayutsya so stancii slezheniya.

Mnogoluchevaya interferenciya takzhe vnosit oshibki v opredelenie mestopolozheniya s pomosh'yu GPS. Eto proishodit, kogda signal otrazhaetsya ot ob'ektov raspolozhennyh na zemnoi poverhnosti, chto sozdaet zametnuyu interferenciyu s signalami prihodyashimi neposredstvenno so sputnikov. Special'naya tehnika obrabotki signala i produmannaya konstrukciya antenn pozvolyaet svesti k minimumu etot istochnik oshibok.

Ran'she sushestvoval eshe odin istochnik oshibok eto Izbiratel'nyi Dostup (Selective Availability ili S/A), iskusstvennoe snizhenie tochnosti sputnikovogo signala vvodimoe MO SShA. Eto privodilo k tomu, chto tochnost' poluchennyh koordinat s pomosh'yu GPS snizhalas' do 100 metrov. Odnako 1 maya 2000 goda po resheniyu prezidenta SShA "Izbiratel'nyi Dostup" byl otklyuchen. Krome togo, S/A mozhno isklyuchit', primenyaya tehniku differencial'noi korrekcii (sm. dalee).

Po motivam stat'i na www.gpsru.com\\\