GPS

Спутник системы GPS на орбите

GPS (англ. Global Positioning System в глобальная система позиционирования, читается Джи Пи Эс) в спутниковая система навигации, обеспечивающая измерение расстояния, времени и определяющая местоположениe. Позволяет в любом месте Земли (не включая приполярные области), почти при любой погоде, а также в космическом пространстве вблизи планеты определить местоположение и скорость объектов. Система разработана, реализована и эксплуатируется Министерством обороны США.

Основной принцип использования системы в определение местоположения путём измерения расстояний до объекта от точек с известными координатами в спутников. Расстояние вычисляется по времени задержки распространения сигнала от посылки его спутником до приёма антенной GPS-приёмника. То есть, для определения трёхмерных координат GPS-приёмнику нужно знать расстояние до трёх спутников и время GPS системы. Таким образом, для определения координат и высоты приёмника используются сигналы как минимум с четырёх^[1] спутников.

Содержание

1 История
2 Техническая реализация
- 2.1 Космические спутники
3 Орбиты спутников
4 Радиочастотные характеристики
- 4.1 Наземные станции контроля космического сегмента
5 Применение GPS
6 Точность
7 Недостатки
8 Хронология
9 См. также
10 Примечания
11 Литература
12 Ссылки

[править] История

Идея создания спутниковой навигации родилась ещё в 50-е годы. В тот момент, когда СССР был запущен первый искусственный спутник Земли, американские учёные во главе с Ричардом Кершнером наблюдали сигнал, исходящий от советского спутника и обнаружили, что благодаря эффекту Доплера частота принимаемого сигнала увеличивается при приближении спутника и уменьшается при его отдалении. Суть открытия заключалась в том, что если точно знать свои координаты на Земле, то становится возможным измерить положение и скорость спутника, и наоборот, точно зная положение спутника, можно определить собственную скорость и координаты.

Реализована эта идея была через 20 лет. В 1973 году была инициирована программа DNSS, позже переименованная в Navstar-GPS, а, затем, в GPS. Первый тестовый спутник выведен на орбиту 14 июля 1974 г. США, а последний из всех 24 спутников, необходимых для полного покрытия земной поверхности, был выведен на орбиту в 1993 г., таким образом, GPS встала на вооружение. Стало возможным использовать GPS для точного наведения ракет на неподвижные, а затем и на подвижные объекты в воздухе и на земле.

Первоначально GPS в глобальная система позиционирования, разрабатывалась как чисто военный проект. Но после того, как в 1983 году вторгшийся в воздушное пространство Советского Союза самолёт Корейских Авиалиний с 269 пассажирами на борту был сбит из-за дезориентации экипажа в пространстве, президент США Рональд Рейган с целью не допустить в будущем подобные трагедии разрешил частичное использование системы навигации для гражданских целей.^[2] Во избежание применения системы для военных нужд точность была уменьшена специальным алгоритмом.^{[уточнить]}

Затем появилась информация о том, что некоторые компании расшифровали алгоритм уменьшения точности на частоте L1 и с успехом компенсируют эту составляющую ошибки. В 2000 г. это загрубление точности отменил своим указом президент США Билл Клинтон.^[3]

Спутники
Блок	Период запусков	Запуски спутников				Работают сейчас
Блок	Период запусков	Запу- щено	Не успешно	Гото- вится	Заплани- ровано	Работают сейчас
I	1978-1985	10	1	0	0	0
II	1989-1990	9	0	0	0	0
IIA	1990-1997	19	0	0	0	11
IIR	1997-2004	12	1	0	0	12
IIR-M	2005-2009	8	0	0	0	7
IIF	2010-2011	2	0	10	0	2
IIIA	2014-?	0	0	0	12	0
Всего		59	2	10	12	31
(Последнее обновление данных: 9 Окт 2011) Подробнее см. en:list of GPS satellite launches

[править] Техническая реализация

[править] Космические спутники

Незапущенный спутник, экспонирующийся в музее. Вид со стороны антенн.

[править] Орбиты спутников

Орбиты спутников системы GPS. Пример видимости спутников из одной из точек на поверхности Земли. Visible sat- число спутников, видимых над горизонтом наблюдателя в идеальных условиях (чистое поле).

Спутниковая группировка системы NAVSTAR обращается вокруг Земли по круговым орбитам с одной высотой и периодом обращения для всех спутников. Круговая орбита с высотой порядка 20200 км. является орбитой суточной кратности с периодом обращения 11 часов 58 минут; таким образом, спутник совершает два витка вокруг Земли за одни звёздные сутки (23 часа 56 минут). Наклонение орбиты (55°) является также общим для всех спутников системы. Единственным отличием орбит спутников является долгота восходящего узла, или точка, в которой плоскость орбиты спутника пересекает экватор: данные точки отстоят друг от друга приблизительно на 60 градусов. Таким образом, несмотря на одинаковые (кроме долготы восходящего узла) параметры орбит, спутники обращаются вокруг Земли в шести различных плоскостях, по 4 аппарата в каждой.

[править] Радиочастотные характеристики

Спутники излучают открытые для использования сигналы в диапазонах: L1=1575,42 МГц и L2=1227,60 МГц (начиная с Блока IIR-M), а модели IIF будут излучать также на L5=1176,45 МГц . Навигационная информация может быть принята антенной (обычно в условиях прямой видимости спутников) и обработана при помощи GPS-приёмника.

Сигнал с кодом стандартной точности (C/A код в модуляция BPSK(1)), передаваемый в диапазоне L1 (и сигнал L2C (модуляция BPSK) в диапазоне L2 начиная с аппаратов IIR-M), распространяется без ограничений на использование. Первоначально используемое на L1 искусственное загрубление сигнала (режим селективного доступа в SA) с мая 2000 года отключён. С 2007 года США окончательно отказались от методики искусственного загрубления. Планируется с запуском аппаратов Блок III введение нового сигнала L1C (модуляция BOC(1,1)) в диапазоне L1. Он будет иметь обратную совместимость, улучшенную возможность прослеживания пути и в большей степени совместим с сигналами Galileo L1.

Для военных пользователей дополнительно доступны сигналы в диапазонах L1/L2, модулированные помехоустойчивым криптоустойчивым P(Y) кодом (модуляция BPSK(10)). Начиная с аппаратов IIR-M введён в эксплуатацию новый М-код (используется модуляция BOC(15,10)). Использование М-кода позволяет обеспечить функционирование системы в рамках концепции Navwar (навигационная война). М-код передается на существующих частотах L1 и L2. Данный сигнал обладает повышенной помехоустойчивостью, и его достаточно для определения точных координат (в случае с P-кодом было необходимо получение и кода C/A). Еще одной особенностью M-кода станет возможность его передачи для конкретной области диаметром в несколько сотен километров, где мощность сигнала будет выше на 20 децибел. Обычный сигнал М уже доступен в спутниках IIR-M, а узконаправленный будет доступен только при помощи спутников GPS-III.

C запуском спутника блока IIF введена новая частота L5 (1176.45 МГц). Этот сигнал также называют safety of life (охрана жизни человека). Сигнал на частоте L5 мощнее на 3 децибела, чем гражданский сигнал, и имеет полосу пропускания в 10 раз шире. Сигнал смогут использовать в критических ситуациях, связанных с угрозой для жизни человека. Полноценно сигнал будет использоваться после 2014 года.

Тип спутника	GPS-II	GPS-IIA	GPS-IIR	GPS-IIRM	GPS-IIF
Масса, кг	885	1500	2000	2000	2170
Срок жизни	7.5	7.5	10	10	15
Бортовое время	Cs	Cs	Rb	Rb	Rb+Cs
Межспутниковая связь	-	+	+	+	+
Автономная работа, дней	14	180	180	180	>60
Антирадиационная защита	-	-	+	+	+
Антенна	-	-	Улучшенная	Улучшенная	Улучшенная
Возможность настройки на орбите и мощность бортового передатчика	+	+	++	+++	++++
Навигационный сигнал	L1:C/A+P L2:P	L1:C/A+P L2:P	L1:C/A+P L2:P	L1:C/A+P+M L2:C/A+P+M	L1:C/A+P+M L2:C/A+P+M L5:C

24 спутника обеспечивают 100 % работоспособность системы в любой точке земного шара, но не всегда могут обеспечить уверенный приём и хороший расчёт позиции. Поэтому, для увеличения точности позиционирования и резерва на случай сбоев, общее число спутников на орбите поддерживается в большем количестве (31 аппарат в марте 2010 года).

[править] Наземные станции контроля космического сегмента

Слежение за орбитальной группировкой осуществляется с главной контрольной станции, расположенной на авиабазе ВВС США Schriever, штат Колорадо, США и с помощью 10 станций слежения, из них три станции способны посылать на спутники корректировочные данные в виде радиосигналов с частотой 2000в4000 МГц. Спутники последнего поколения распределяют полученные данные среди других спутников.

[править] Применение GPS

Основная статья: GPS-приёмник

Приёмник сигнала GPS

Несмотря на то, что изначально проект GPS был направлен на военные цели, сегодня GPS всё чаще используются в гражданских целях. GPS-приёмники продают во многих магазинах, торгующих электроникой, их встраивают в мобильные телефоны, смартфоны, КПК и онбордеры. Потребителям также предлагаются различные устройства и программные продукты, позволяющие видеть своё местонахождение на электронной карте; имеющие возможность прокладывать маршруты с учётом дорожных знаков, разрешённых поворотов и даже пробок; искать на карте конкретные дома и улицы, достопримечательности, кафе, больницы, автозаправки и прочие объекты инфраструктуры.

Геодезия: с помощью GPS определяются точные координаты точек и границы земельных участков
Картография: GPS используется в гражданской и военной картографии
Навигация: с применением GPS осуществляется как морская, так и дорожная навигация
Спутниковый мониторинг транспорта: с помощью GPS ведётся мониторинг за положением, скоростью автомобилей, контроль за их движением
Сотовая связь: первые мобильные телефоны с GPS появились в 90-х годах. В некоторых странах, например США это используется для оперативного определения местонахождения человека, звонящего 911. В России в 2010 году начата реализация аналогичного проекта в Эра-глонасс.
Тектоника, Тектоника плит: с помощью GPS ведутся наблюдения движений и колебаний плит^[4]
Активный отдых: есть разные игры, где применяется GPS, например, Геокэшинг и др.
Геотегинг: информация, например фотографии «привязываются» к координатам благодаря встроенным или внешним GPS-приёмникам

Высказывались предложения об интеграции систем Iridium и GPS.^[5]

[править] Точность

См. также: DOP

Составляющие, которые влияют на погрешность одного спутника при измерении псевдодальности, приведены ниже^[6]:

Источник погрешности	Среднеквадратичное значение погрешности,м
Нестабильность работы генератора	6,5
Задержка в бортовой аппаратуре	1,0
Не определённость пространственного положения спутника	2,0
Другие погрешности космического сегмента	1,0
Неточность эфемерид	8,2
Другие погрешности наземного сегмента	1,8
Ионосферная задержка	4,5
Тропосферная задержка	3,9
Шумовая ошибка приёмника	2,9
Многолучёвость	2,4
Другие ошибки сегмента пользователя	1,0
Суммарная погрешность	13,1

Суммарная погрешность при этом не равна сумме составляющих.

Коэффициент корреляции погрешностей двух рядом стоящих GPS приёмников(при работе в кодовом режиме) составляет 0,15-0,4 в зависимости от соотношения сигнал/шум. Чем больше соотношение сигнал/шум, тем больше корреляция. При затенении части спутников и переотражении сигнала корреляция может падать вплоть до нуля и даже отрицательных величин. Также коэффициент корреляции погрешностей зависит от геометрического фактора. При PDOP<1,5 корреляция может достигать значения 0,7. Так как погрешность GPS складывается из многих составляющих, она не может быть представлена в виде нормального белого шума. По форме распределения погрешность есть сумма нормальной погрешности, взятой с коэффициентом 0,6-0,8 и погрешности, имеющей распределение Лапласа с коэффициентом 0,2-0,4. Автокорреляция суммарной погрешности GPS падает до значения 0,5 в течении приблизительно 10 секунд^[7].

Типичная точность современных GPS-приёмников в горизонтальной плоскости составляет примерно 6-8 метров при хорошей видимости спутников и использовании алгоритмов коррекции. На территории США, Канады, Японии, КНР, Европейского Союза и Индии имеются станции WAAS, EGNOS, MSAS и т. д. передающие поправки для дифференциального режима, что позволяет снизить погрешность до 1-2 метров на территории этих стран. При использовании более сложных дифференциальных режимов, точность определения координат можно довести до 10 см. Точность любой СНС сильно зависит от открытости пространства, от высоты используемых спутников над горизонтом.

В ближайшее время все аппараты нынешнего стандарта GPS будут заменены на более новую версию GPS IIF, которая имеет ряд преимуществ, в том числе они более устойчивы к помехам.

Но главное, что GPS IIF обеспечивает гораздо более высокую точность определения координат. Если нынешние спутники обеспечивают погрешность 6 метров, то новые спутники будут способны определять местоположение, как ожидается, с точностью не менее 60-90 см. Если такая точность будет не только для военных, но и для гражданских применений, то это приятная новость для владельцев GPS-навигаторов.

На октябрь 2011 года на орбиту выведены первые два спутника из новой версии: GPS IIF SV-1 запущен в 2010 году и GPS IIF-2 запущен 16 июля 2011 года.

Всего первоначальный контракт предусматривал запуск 33 спутников GPS нового поколения, но потом из-за технических проблем начало запуска перенесли с 2006 года на 2010 год, а количество спутников уменьшили с 33 до 12. Все они будут выведены на орбиту в ближайшее время.

Повышенная точность спутников GPS нового поколения стала возможной благодаря использованию более точных атомных часов. Поскольку спутники перемещаются со скоростью около 14000 км/ч (3.874км/с) (первая космическая скорость на высоте 20 200 км), повышение точности времени даже в шестом знаке является критически важным для триангуляции.

[править] Недостатки

Общим недостатком использования любой радионавигационной системы является то, что при определённых условиях сигнал может не доходить до приёмника, или приходить со значительными искажениями или задержками. Например, практически невозможно определить своё точное местонахождение в глубине квартиры внутри железобетонного здания, в подвале или в тоннеле даже профессиональными геодезическими приемниками. Так как рабочая частота GPS лежит в дециметровом диапазоне радиоволн, уровень приёма сигнала от спутников может серьёзно ухудшиться под плотной листвой деревьев или из-за очень большой паллетный облачности. Нормальному приёму сигналов GPS могут повредить помехи от многих наземных радиоисточников, а также (в редких случаях) от магнитных бурь, либо преднамеренно создаваемые "глушилками" (данный способ борьбы со спутниковыми автосигнализациями часто используется автоугонщиками).

Невысокое наклонение орбит GPS (примерно 55) серьёзно ухудшает точность в приполярных районах Земли, так как спутники GPS невысоко поднимаются над горизонтом.

Существенной особенностью GPS считается полная зависимость условий получения сигнала от министерства обороны США.

Теперь^{[когда?]} Министерство обороны США решило начать полное обновление системы GPS. Оно было запланировано достаточно давно, но начать реализовывать этот проект удалось только сейчас. В ходе обновления старые спутники заменят на новые, которые разработаны и произведены компаниями Lockheed Martin и Boeing. Утверждается^{[источник не указан 468 дней]}, что они смогут обеспечивать точность позиционирования с погрешностью 0,5 метра.

Реализация данной программы займёт некоторое^{[какое?]} время. В Министерстве обороны США утверждают^{[источник не указан 468 дней]}, что полностью завершить обновление системы удастся только через 10 лет. Количество спутников изменено не будет, их по-прежнему будет 30: 24 работающих и 6 резервных.

[править] Хронология

Запуск спутника GPS-IIR-14 ракетой Delta 7925. 25.09.2005, Мыс Канаверал, США

1973	Решение о разработке спутниковой навигационной системы
1974в1979	Испытание системы
1977	Приём сигнала от наземной станции, симулирующей спутник системы
1978в1985	Запуск одиннадцати спутников первой группы (Block I)
1979	Сокращение финансирования программы. Решение о запуске 18 спутников вместо запланированных 24.
1980	В связи с решением свернуть программу использования спутников Vela системы отслеживания ядерных взрывов, эти функции было решено возложить на спутники GPS. Старт первых спутников, оснащённых сенсорами регистрации ядерных взрывов.
1980в1982	Дальнейшее сокращение финансирования программы
1983	После гибели самолёта компании Korean Airline, сбитого над территорией СССР, принято решение о предоставлении сигнала гражданским службам.
1986	Гибель космического челнока Space Shuttle «Challenger» приостановила развитие программы, так как последний планировался для вывода на орбиту второй группы спутников. В результате основным транспортным средством была выбрана ракета-носитель «Дельта»
1988	Решение о развёртывании орбитальной группировки в 24 спутника. 18 спутников не в состоянии обеспечить бесперебойного функционирования системы.
1989	Активация спутников второй группы
1990в1991	Временное отключение SA (англ. selective availability в искусственно создаваемой для неавторизированных пользователей округления определения местоположения до 100 метров) в связи с войной в Персидском заливе и нехваткой военных моделей приёмников. Включение SA 01 Июня 1991 года.
08.12.1993	Сообщение о первичной готовности системы (англ. Initial Operational Capability). В этом же году принято окончательное решение о предоставлении сигнала для бесплатного пользования гражданским службам и частным лицам
1994	Спутниковая группировка укомплектована
17.07.1995	Полная готовность системы (англ. Full Operational Capability)
01.05.2000	Отключение SA для гражданских пользователей, таким образом точность определения выросла со 100 до 20 метров
26.06.2004	Подписание совместного заявления по обеспечению взаимодополняемости и совместимости Galileo и GPS ¹
Декабрь 2006	Российско-американские переговоры по сотрудничеству в области обеспечения взаимодополняемости космических навигационных систем ГЛОНАСС и GPS.²

[править] См. также

Transit (первая спутниковая навигационная система, 1960ые-1996)
Galileo (европейская навигационная система)
ГЛОНАСС (российская навигационная система)
Космическая геодезия
Location-based service
GPS-приёмник
GPS-навигатор

[править] Примечания

в‘ Поскольку разница между часами спутника и приёмника может внести в решение огромную ошибку, один из космических аппаратов используется как «базовый», с него получают время, остальные используются для определения координат
в‘ United States Updates Global Positioning System Technology
в‘ GPS-гонка: России не хватает спутников, cnews.ru, 4 июня 2003 г
в‘ GPS Time Series
в‘ Спутниковая суперсистема создается армией США " Военное обозрение
в‘ Анучин О.Н., Емельянцев Г.И. Интегрированные системы ориентации для морских подвижных объектов / Под ред. В. Г. Пешехонова. в 2-е изд. в Спб.: ГНЦ РФ-ЦНИИ «Электроприбор», 2003. в С. 160-161. в 390 с. в ISBN 5-900780-47-3
в‘ Горбачёв А. Ю. Математическая модель погрешностей gps // Авиакосмическое приборостроение. в М.: "НАУЧТЕХЛИТИЗДАТ": 2010. в в„– 5.

[править] Литература

Александров И. Космическая радионавигационная система НАВСТАР (рус.) // Зарубежное военное обозрение. в М.: 1995. в в„– 5. в С. 52-63. в ISSN 0134-921X.
Козловский Е. Искусство позиционирования // Вокруг света. в М.: 2006. в в„– 12 (2795). в С. 204-280.
Шебшаевич В. С., Дмитриев П. П., Иванцев Н. В. и др. Сетевые спутниковые радионавигационные системы / под ред. В. С. Шебшаевича. в 2-е изд., перераб. и доп. в М.: Радио и связь, 1993. в 408 с. в ISBN 5-256-00174-4

[править] Ссылки

Официальные документы и спецификации

Официальный сайт правительства США и системы GPS со статусом спутниковой группировки (англ.)

Объяснения работы

Глобальные Навигационные Спутниковые Системы (GNSS). Как это работает?, gps-club.ru

Совместимость с Gallileo и ГЛОНАСС

Совместное заявление по обеспечению взаимодополняемости и совместимости Галилео и GPS (англ.)
Совместное заявление по обеспечению взаимодополняемости и совместимости ГЛОНАСС и GPS ((недоступная ссылка), копия)

Разное

GPS изнутри: описание NMEA протокола

Система GPS - анимационная визуализация Google Maps KMZ (файл меток KMZ для Google Earth)

[0] в‘ Поскольку разница между часами спутника и приёмника может внести в решение огромную ошибку, один из космических аппаратов используется как «базовый», с него получают время, остальные используются для определения координат

[1] в‘ United States Updates Global Positioning System Technology

[2] в‘ GPS-гонка: России не хватает спутников, cnews.ru, 4 июня 2003 г

[3] в‘ GPS Time Series

[4] в‘ Спутниковая суперсистема создается армией США " Военное обозрение

[5] в‘ Анучин О.Н., Емельянцев Г.И. Интегрированные системы ориентации для морских подвижных объектов / Под ред. В. Г. Пешехонова. в 2-е изд. в Спб.: ГНЦ РФ-ЦНИИ «Электроприбор», 2003. в С. 160-161. в 390 с. в ISBN 5-900780-47-3

[6] в‘ Горбачёв А. Ю. Математическая модель погрешностей gps // Авиакосмическое приборостроение. в М.: "НАУЧТЕХЛИТИЗДАТ": 2010. в в„– 5.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

Спутниковая навигация
Системы	GPS ГЛОНАСС Галилео Бэйдоу
GPS-устройства	Приёмник Трекер Логгер
Чипсеты	SiRFstar III SiRFatlasIV SiRFatlasV
Протоколы	NMEA
Технологии	A-GPS S-GPS
Проекты	Геокэшинг Поиск пересечений AlterGeo GPS-Trace Orange
Сервисы картографии	Google Планета Земля Карты Google Яндекс.Карты Карты Рамблера Карты Mail.ru Карты Yahoo OpenStreetMap Энцикломапия Геопортал Роскосмоса Космоснимки
Прочее	Геоинформационная система Геокодирование Геоинформатика Геоматика Спутниковый мониторинг транспорта
Навигационные программы	PocketGIS

GPS

Содержание

[править] История

[править] Техническая реализация

[править] Космические спутники

[править] Орбиты спутников

[править] Радиочастотные характеристики

[править] Наземные станции контроля космического сегмента

[править] Применение GPS

[править] Точность

[править] Недостатки

[править] Хронология

[править] См. также

[править] Примечания

[править] Литература

[править] Ссылки

Личные инструменты

Пространства имён

Варианты

Просмотры

Действия

Поиск

Навигация

Участие

Печать/экспорт

Инструменты

На других языках