GPS - начальные буквы названия глобальной системы определения координат - Global Positioning System. Эта система позволяет с точностью не хуже 100 м определить местоположение объекта, т.е. определить его широту, долготу и высоту над уровнем моря, а также направление и скорость его движения. Кроме того, с помощью GPS можно определить время с точностью до 1 наносекунды.
Технология спутниковой навигации основана на приеме сигналов, поступающих от спутников, и вычислении расстояния между спутником в момент излучения и приемником в момент приема. Регистрируя время прохождения радиосигнала, и, зная скорость его распространения, легко определить расстояние до источника излучения. Для вычисления координат (широты и долготы) приемника на поверхности земли необходимо одновременно определять расстояние до трех навигационных спутников. При приеме сигналов от четырех спутников можно вычислить также высоту объекта над уровнем моря. Положение спутников на орбитах должно быть известно в любой момент времени. Помимо этого для правильного вычисления координат необходима точная временная привязка и синхронизация часов на спутниках и в навигационных приемниках. На спутники устанавливают атомные часы, имеющие точность около одной наносекунды. Для корректировки хода часов навигационных приемников используются специальные алгоритмы обработки сигналов, одновременно поступающих от четырех спутников.
Современные спутниковые навигационные системы состоят из трех компонент:
-
Космическая компонента представляет собой систему спутников связи, расположенных на определенных околоземных орбитах.
-
Станции слежения за спутниками осуществляют постоянный контроль технического состояния спутников, проводят корректировку их орбит, и корректировку спутниковых шкал времени.
-
Пользовательская компонента - это навигационное оборудование, принимающее сигналы от спутников.
В настоящий момент в мире функционирует две крупные спутниковые навигационные системы американская NAVSTAR (или GPS -Global Positioning System) и российская ГЛОНАСС (Глобальная Навигационная Спутниковая Система).
Система GPS включает в себя 24 навигационных спутника с орбитальным периодом в 12 часов. Спутники находятся на высоте примерно 20200 км от поверхности Земли в шести различных плоскостях, имеющих наклон к экватору в 55°, в каждой плоскости расположено по 4 спутника.
Министерство Обороны США имеет 4 станции слежения за спутниками, три станции связи и центр осуществляющий контроль и управление за всем наземным сегментом системы.
Навигационные сигналы излучаются спутниками на двух рабочих частотах: на частоте1575.42 МГц (диапазон L1) и на частоте 1227.60 МГц (диапазон L2). В диапазоне L1 излучаются сигналы, предназначенные для гражданских пользователей, а также сигналы военного кода. Диапазон L2 используется только для передачи сигналов военного кода. Пользовательские навигационные приборы принимают сигналы в обоих диапазонах, что позволяет уменьшить погрешности, связанные с влиянием ионосферы.
Какова точность определения координат навигационным устройством и от каких факторов она зависит?
Система GPS работает в двух режимах:
-
режим высокой точности, обеспечивающий определение координат с точностью до нескольких сантиметров, предназначен исключительно для военных целей.
-
режим стандартной точности предназначен для гражданских приборов. Минобороны США преднамеренно уменьшало точность гражданских GPS-навигаторов, вводя так называемый «избирательный доступ». Максимальная ошибка определения координат могла доходить до 100 м. 1 мая 2000 года по решению президента США «избирательный доступ» был отключен и гражданские пользователи GPS получили возможность определять свои координаты в десять раз точнее.
На точность вычисления местоположения существенно влияет геометрия спутников, то есть расположение спутников относительно друг друга и относительно GPS - приемника. В оптимальном варианте четыре «видимых» приемником спутника должны находится в разных направлениях.
При прохождении радиосигнала через ионосферу и тропосферу скорость его распространения уменьшается, что приводит к ошибкам о вычислении расстояний до спутников. Существенное влияние оказывают также различные атмосферные явления.
Повторное отражение спутникового сигнала от различных объектов возможно в городе среди высоких зданий, в горах или в ущельях. При этом радиосигнал взаимодействует со зданиями или рельефом местности до того, как он достигнет приемной антенны. Отраженному сигналу требуется больше времени для достижения приемника, чем прямому, возникают ошибки определения дальности.
Интерференция сигнала, поступающего от спутника и сигналов, отраженных от различных объектов, также вносит определенную погрешность в определение координат.
Погрешность вносят также ошибки хода часов приемника.
Специальные алгоритмы обработки радиосигналов и конструкция антенн современных GPS - приемников позволяют свести к минимуму влияние перечисленных источников ошибок.