Страница:
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.
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.
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.
www.sirf.com/ov/index.htm. Интересно, правда, как же все это будет работать в России?
Если в ближайшее время законодательство в отношении систем спутниковой навигации не будет изменено (об этом — ниже), то все владельцы «мобильных» с GPS-приемниками будут «ходить под статьей». А с иностранцами вообще беда: либо сотовый оставляй на границе, либо оформляй документы на приемник. Хотя наши чекисты (впрочем, как и их иностранные коллеги) вряд ли упустят шанс контролировать всех владельцев GPS-приемников — это покруче СОРМа будет.
ГЛОНАСС
Первый отечественный навигационный спутник «Космос-192» был выведен на орбиту 27 ноября 1967 года, а в 1979 году была создана навигационная система первого поколения «Цикада», в составе которой было 4 низкоорбитальных спутника. В ответ на создание американцами NAVSTAR, советские военные начали разрабатывать систему ГЛОНАСС (ГЛОбальная Навигационная Спутниковая Система). В 1982 году были запущены первые ее спутники. До штатного же состояния количество спутников ГЛОНАСС было доведено в 1996 году. Помимо военных задач, советские навигационные системы использовались и в гражданском флоте.
Спутники ГЛОНАСС, находящиеся на высоте 19100 км, излучают навигационные сигналы в двух диапазонах L1 (1200 МГц) и L2 (1600 МГц). Они размещены на трех орбитах (по 8 спутников на каждой) под углом 45… Период обращения спутников — 11 ч. 15 мин. Точность определения горизонтальных координат составляет 50-70 м, вертикальных — 70 м (с точностью 99,7%).
СРНС ГЛОНАСС распространена не столь широко, как GPS: до недавних пор пользоваться услугами ГЛОНАСС могли лишь немногие. В 1995 году правительство издало постановление за номером 237 «О проведении работ по использованию глобальной навигационной спутниковой системы ГЛОНАСС в интересах гражданских потребителей». В этом постановлении министерству обороны, РКА и министерству транспорта предписывалось обеспечить услугами ГЛОНАСС «отечественных военных и отечественных гражданских потребителей и зарубежных гражданских потребителей». А 18 февраля 1999 года вышло распоряжение президента, где он соглашается с «предложением правительства об отнесении глобальной навигационной спутниковой системы <…> к космической технике двойного назначения, применяемой в научных, социально-экономических целях, в интересах обороны и безопасности Российской Федерации».
При использовании систем спутниковой навигации в нашей стране возникает ряд проблем, обусловленных знаменитой российской спецификой. Дело в том, что высокая точность определения координат может пойти во вред пользователю. «Компетентные органы» могут заподозрить в использовании оборудования спутниковой навигации злой умысел. Это случилось с одним из сотрудников фирмы Qualcom, которого чуть не засадили за решетку по обвинению в шпионаже. Системы спутниковой навигации, установленные в зарубежных автомобилях, теряют смысл на территории России. Хотя и не полностью: например, фирма «Фольксваген» предлагает использовать экран навигационной системы как панель для высвечивания режимов работы аудиосистемы. А все потому, что любой автомобильный навигационный комплекс полезен только при наличии карты местности, записанной на CD. Федеральная же служба геодезии и картографии (Роскартография), опираясь на закон «О государственной тайне», отнесла к секретным «…сведения о рельефе местности, отображенные на любом носителе, с точностью и подробностью нанесения на карты масштабов 1:50000 и крупнее, на площади, превышающей 250 кв. км <…> координаты географических объектов, определенные с точностью 30 метров и выше…». Так что «счастливые» обладатели автомобильных систем спутниковой навигации должны написать заявку, письменно обосновать необходимость использования навигационной системы, приложить к этим документам полную техническую документацию на оборудование и пойти в местное отделение Госсвязьнадзора. Все это придумано, видимо, для того, чтобы «привлечь» как можно больше гражданских пользователей систем спутниковой навигации. Однако будем надеяться, что привилегия определять свое местоположение рано или поздно будет доступна и нам.
Глава 4. Я и GPS
Большинство из тех, кто увлекается рыбалкой, знают, а многие и пользуются таким прибором, как эхолот. Он всегда поможет определить глубину, покажет, есть ли рыба в данном месте. При наличии дополнительных датчиков определит вашу скорость, температуру воды, положение слоев с разной температурой и позволит просматривать толщу воды по бортам судна. А вот другое полезное изобретение человечества, такое как GPS еще мало знакомо и редко применяется рыболовами, хотя предоставляемые им преимущества позволяют сделать рыбалку еще более успешной.
GPS — это сокращение от Global Positioning System (Глобальная Система Позиционирования), система позволяющая определять свои географические координаты в любой точке земного шара, в любое время и с достаточно высокой точностью. Система состоит из 32-х спутников (24 работающих, 8 резервных) вращающихся вокруг земли по 6 точно определенным орбитам. Эти спутники передают, с определенным интервалом времени, сигналы, которые улавливаются специальными приемниками — GPS навигаторами. Сигнал спутника содержит информацию о номере спутника и точном времени отправки сигнала. Спутники используют высокоточные атомные часы, а в процессор навигатора заложена информация, где и в какое время каждый спутник должен находится. Сопоставляя время прохождения сигнала и местоположение спутников, навигатор и определяет свои точные географические координаты. Раньше этой системой пользовались только военные и спортсмены, но уже несколько лет система GPS доступна рыболовам и охотникам.
Прибор поможет вам найти однажды посещенное место там, где ориентация с помощью окружающих объектов невозможна или затруднена (море, водохранилище, лес). С ним вы никогда не заблудитесь в незнакомой местности даже в полной темноте. Вы всегда сможете сохранить в памяти прибора координаты, например, сомовьей ямы посреди большой реки или водохранилища, чтобы в следующий раз не тратить время на ее поиски с помощью только эхолота. Увлекшись рыбалкой до темноты, всегда сможете вернуться к нужному месту на берегу наикратчайшим путем. Используя интерфейсный кабель, вы можете сохранить координаты интересных мест в персональном компьютере и передавать их знакомым и друзьям. Если в вашем компьютере есть электронная карта местности с координатной привязкой, вы можете перед поездкой определить координаты мест, которые собираетесь посетить, а затем ориентироваться на местности уже только с помощью GPS приемника.
Точность, с которой приемник определяет свое местоположение зависит от состояния ионосферы, количества доступных спутников, и их взаимного расположения. В лесу или городе, из-за создаваемых деревьями или зданиями помех точность ниже, а на открытой местности (поле или море) она максимальна. В среднем точность составляет от 5 до 30 метров.
На сегодняшний день существует большое количество разных GPS навигаторов, и каждый может выбрать себе прибор наиболее подходящий ему по своим техническим возможностям и цене. Отдельную группу составляют приборы, использующие географические карты. С ними можно планировать автомобильные маршруты и ориентироваться в незнакомом городе. Существовавшая до недавнего времени проблема отсутствия подробных электронных карт Украины для таких приемников сейчас успешно решается, и в скором времени эти карты будут доступны практически во всех используемых GPS форматах.
GPS — это сокращение от Global Positioning System (Глобальная Система Позиционирования), система позволяющая определять свои географические координаты в любой точке земного шара, в любое время и с достаточно высокой точностью. Система состоит из 32-х спутников (24 работающих, 8 резервных) вращающихся вокруг земли по 6 точно определенным орбитам. Эти спутники передают, с определенным интервалом времени, сигналы, которые улавливаются специальными приемниками — GPS навигаторами. Сигнал спутника содержит информацию о номере спутника и точном времени отправки сигнала. Спутники используют высокоточные атомные часы, а в процессор навигатора заложена информация, где и в какое время каждый спутник должен находится. Сопоставляя время прохождения сигнала и местоположение спутников, навигатор и определяет свои точные географические координаты. Раньше этой системой пользовались только военные и спортсмены, но уже несколько лет система GPS доступна рыболовам и охотникам.
Прибор поможет вам найти однажды посещенное место там, где ориентация с помощью окружающих объектов невозможна или затруднена (море, водохранилище, лес). С ним вы никогда не заблудитесь в незнакомой местности даже в полной темноте. Вы всегда сможете сохранить в памяти прибора координаты, например, сомовьей ямы посреди большой реки или водохранилища, чтобы в следующий раз не тратить время на ее поиски с помощью только эхолота. Увлекшись рыбалкой до темноты, всегда сможете вернуться к нужному месту на берегу наикратчайшим путем. Используя интерфейсный кабель, вы можете сохранить координаты интересных мест в персональном компьютере и передавать их знакомым и друзьям. Если в вашем компьютере есть электронная карта местности с координатной привязкой, вы можете перед поездкой определить координаты мест, которые собираетесь посетить, а затем ориентироваться на местности уже только с помощью GPS приемника.
Точность, с которой приемник определяет свое местоположение зависит от состояния ионосферы, количества доступных спутников, и их взаимного расположения. В лесу или городе, из-за создаваемых деревьями или зданиями помех точность ниже, а на открытой местности (поле или море) она максимальна. В среднем точность составляет от 5 до 30 метров.
На сегодняшний день существует большое количество разных GPS навигаторов, и каждый может выбрать себе прибор наиболее подходящий ему по своим техническим возможностям и цене. Отдельную группу составляют приборы, использующие географические карты. С ними можно планировать автомобильные маршруты и ориентироваться в незнакомом городе. Существовавшая до недавнего времени проблема отсутствия подробных электронных карт Украины для таких приемников сейчас успешно решается, и в скором времени эти карты будут доступны практически во всех используемых GPS форматах.
Глава 5. Основы GPS
Во всех сегментах и элементах GPS используется оборудование, построенное на самых современных «высоких технологиях», но идеи в ее основе удивительно просты. Давайте рассмотрим из них пять наиболее важных.
1. Местоопределение по расстояниям до спутников
2. Измерение расстояний до спутников
3. Обеспечение точной привязки по времени
4. Определение положения спутника в пространстве
5. Компенсация погрешностей
Например, если мы знаем, что от нас до спутника А, скажем, 11000 км, то это значит, что мы находимся где-то на воображаемой сфере радиусом в 11000 км с центром, совпадающим со спутником А.
Если одновременно расстояние до спутника В составляет 12000 км, то это еще больше сократит пространство, где мы можем находиться. Так как единственная область, где мы будем на расстоянии 11000 км от спутника А и 12000 км от спутника В, есть линия пересечения двух сфер, т.е. окружность.
Затем, если мы произведем измерение дальности еще и до третьего спутника, то сможем свести возможное местоположение до двух точек. Эти две точки находятся там, где сфера радиусом в 13000 км пересекается с окружностью, получившейся от пересечения сфер с радиусами 11000 км и 12000 км.
Обычно, одна из двух точек — это неправдоподобное решение. Вычислители GPS-приемников снабжены различными устройствами, автоматически определяющими истинное местоположение из двух возможных.
Вместе с тем, если вы точно знаете свою высоту, как например моряки, находящиеся на уровне моря, вы можете исключить одно из спутниковых измерений. Одна из сфер может быть заменена на сферу с центром в центре Земли и радиусом, равным радиусу Земли плюс высота.
Таким образом:
• Координаты местоположения вычисляются на основе измеренных дальностей до спутников.
• Для определения местоположения необходимо провести четыре измерения.
• Трех измерений достаточно, если исключить неправдоподобные решения.
• Еще одно измерение требуется по техническим причинам, которые будут рассмотрены ниже.
Радиоволны распространяются со скоростью света: 300 000 км в секунду. Если мы сможем точно определить момент времени, в который спутник начал посылать свой радиосигнал, и момент, когда мы получили его, мы будем знать, как долго он шел до нас. И тогда, умножая скорость распространения сигнала на время в секундах, получим расстояние до спутника.
Естественно, что наши часы должны быть весьма точны, так как свет распространяется непостижимо быстро. Если бы спутник находился прямо над головой, потребовалось бы всего около 0,06 секунды для прохождения радиосигнала от спутника до нас.
GPS строится с применением совершенного способа измерения времени, основанного на атомном стандарте частоты, который обеспечивает ход бортовых часов спутника с наносекундной точностью. А это 0,000000001 секунды!
Главной трудностью при измерении времени прохождения радиосигнала является точное выделение момента времени, в который сигнал передан со спутника. Для этого разработчики GPS обратились к разумной идее: синхронизировать спутники и приемники так, чтобы они генерировали один и тот же код точно в одно и то же время.
А далее, все, что нам остается сделать, так это принять код от спутника и посмотреть, как давно наш приемник сгенерировал тот же код. Выявленный таким образом сдвиг одного кода по отношению к другому будет соответствовать времени прохождения сигналом расстояния от спутника до приемника. Преимуществом использования кодовых посылок (кодовых последовательностей) является то, что измерения временного сдвига могут быть проведены в любой момент времени.
Как спутники, так и приемники генерируют очень сложные цифровые кодовые последовательности. Коды усложняются специально, чтобы их можно было бы надежно и однозначно сравнивать, а также по некоторым другим причинам. Так или иначе, коды настолько сложны, что они выглядят как длинный ряд случайных импульсов. В действительности они являются тщательно отобранными «псевдослучайными последовательностями», которые повторяются каждую миллисекунду.
Таким образом, расстояние до спутника определяется путем измерения промежутка времени, который требуется радиосигналу, чтобы дойти от спутника до нас.
Мы считаем, что как спутник, так и приемник генерируют один и тот же псевдослучайный код строго одновременно в общей шкале времени.
Мы определяем, сколько времени потребовалось сигналу со спутника, чтобы дойти до нас, путем сравнения запаздывания его псевдослучайного кода по отношению коду приемника.
1. Местоопределение по расстояниям до спутников
2. Измерение расстояний до спутников
3. Обеспечение точной привязки по времени
4. Определение положения спутника в пространстве
5. Компенсация погрешностей
Идея первая: Местоопределение по расстояниям до спутников.
GPS основана на определении координат местоположения по расстояниям до спутников. Это означает, что наши координаты на земле вычисляются на основе измеренных системой расстояний до группы спутников в космосе. Спутники выполняют роль точно координированных точек отсчета.Например, если мы знаем, что от нас до спутника А, скажем, 11000 км, то это значит, что мы находимся где-то на воображаемой сфере радиусом в 11000 км с центром, совпадающим со спутником А.
Если одновременно расстояние до спутника В составляет 12000 км, то это еще больше сократит пространство, где мы можем находиться. Так как единственная область, где мы будем на расстоянии 11000 км от спутника А и 12000 км от спутника В, есть линия пересечения двух сфер, т.е. окружность.
Затем, если мы произведем измерение дальности еще и до третьего спутника, то сможем свести возможное местоположение до двух точек. Эти две точки находятся там, где сфера радиусом в 13000 км пересекается с окружностью, получившейся от пересечения сфер с радиусами 11000 км и 12000 км.
Обычно, одна из двух точек — это неправдоподобное решение. Вычислители GPS-приемников снабжены различными устройствами, автоматически определяющими истинное местоположение из двух возможных.
Вместе с тем, если вы точно знаете свою высоту, как например моряки, находящиеся на уровне моря, вы можете исключить одно из спутниковых измерений. Одна из сфер может быть заменена на сферу с центром в центре Земли и радиусом, равным радиусу Земли плюс высота.
Таким образом:
• Координаты местоположения вычисляются на основе измеренных дальностей до спутников.
• Для определения местоположения необходимо провести четыре измерения.
• Трех измерений достаточно, если исключить неправдоподобные решения.
• Еще одно измерение требуется по техническим причинам, которые будут рассмотрены ниже.
Идея вторая: Измерение расстояния до спутника.
Удивительно, но идея, лежащая в основе измерения расстояния до спутника, есть всего-навсего старое равенство, c которым все мы встречались в школе: «расстояние есть скорость, умноженная на время движения». GPS работает, измеряя время, за которое радиосигнал доходит от спутника до нас, а затем по этому времени вычисляет расстояние.Радиоволны распространяются со скоростью света: 300 000 км в секунду. Если мы сможем точно определить момент времени, в который спутник начал посылать свой радиосигнал, и момент, когда мы получили его, мы будем знать, как долго он шел до нас. И тогда, умножая скорость распространения сигнала на время в секундах, получим расстояние до спутника.
Естественно, что наши часы должны быть весьма точны, так как свет распространяется непостижимо быстро. Если бы спутник находился прямо над головой, потребовалось бы всего около 0,06 секунды для прохождения радиосигнала от спутника до нас.
GPS строится с применением совершенного способа измерения времени, основанного на атомном стандарте частоты, который обеспечивает ход бортовых часов спутника с наносекундной точностью. А это 0,000000001 секунды!
Главной трудностью при измерении времени прохождения радиосигнала является точное выделение момента времени, в который сигнал передан со спутника. Для этого разработчики GPS обратились к разумной идее: синхронизировать спутники и приемники так, чтобы они генерировали один и тот же код точно в одно и то же время.
А далее, все, что нам остается сделать, так это принять код от спутника и посмотреть, как давно наш приемник сгенерировал тот же код. Выявленный таким образом сдвиг одного кода по отношению к другому будет соответствовать времени прохождения сигналом расстояния от спутника до приемника. Преимуществом использования кодовых посылок (кодовых последовательностей) является то, что измерения временного сдвига могут быть проведены в любой момент времени.
Как спутники, так и приемники генерируют очень сложные цифровые кодовые последовательности. Коды усложняются специально, чтобы их можно было бы надежно и однозначно сравнивать, а также по некоторым другим причинам. Так или иначе, коды настолько сложны, что они выглядят как длинный ряд случайных импульсов. В действительности они являются тщательно отобранными «псевдослучайными последовательностями», которые повторяются каждую миллисекунду.
Таким образом, расстояние до спутника определяется путем измерения промежутка времени, который требуется радиосигналу, чтобы дойти от спутника до нас.
Мы считаем, что как спутник, так и приемник генерируют один и тот же псевдослучайный код строго одновременно в общей шкале времени.
Мы определяем, сколько времени потребовалось сигналу со спутника, чтобы дойти до нас, путем сравнения запаздывания его псевдослучайного кода по отношению коду приемника.