GPS – обзор технологии

Глобальная система позиционирования (Global Positioning System) или сокращенно GPS является единственной в мире полнофункциональной спутниковой системой навигации. Более 25 специализированных спутников постоянно посылают точные (в первую очередь по времени) радиосигналы, которые улавливаются GPS-приемниками по всему миру. Это вещание позволяет приемникам (ресиверам) точно определять свое месторасположение (долготу, широту, положение над уровнем моря) в любую погоду, в любое время суток, в любой точке земного шара.

К данному моменту GPS уже стала жизненно необходимой системой, она является неотъемлемой частью современной навигации на земле, в море, в воздухе, кроме того, это важный инструмент для составления карт, а также наблюдения за изменением ландшафта земной поверхности. Эта система вносит определенный вклад в такие, казалось бы, сторонние отрасли как телекоммуникации и разного рода научные исследования (к примеру, исследование природы землетрясений).

Система GPS была разработана министерством обороны США, контролируется им же. Несмотря на то, что содержание данной системы обходится примерно в $400 000 000 в год (если считать старение спутников), простые смертные могут свободно использовать ее для своих скромных нужд.

В конце 2005 года к уже запущенным спутникам был добавлен еще один спутник следующего поколения. Этот спутник обладал рядом дополнительных возможностей, одной из которых является поддержка второго гражданского GPS-сигнала, который именуется L2C и предназначен для повышения точности и надежности работы системы в целом. В ближайшие годы планируется запускать все больше модернизированных спутников, в перспективе они должны добавить третий и четвертый сигналы, а кроме того, кучу новых возможностей, которые будут использоваться исключительно военными (кто бы сомневался).

В августе 2000 года стала общедоступна The Wide-Area Augmentation System (WAAS), а если по-человечески – система панорамного обзора, которая позволила определять местоположение портативного GPS-приемника с точностью до двух метров. Два метра, конечно, неплохо, но можно добиться точности и в один сантиметр, если использовать Differential GPS (DGPS).

Сферы использования GPS #

Наверно, многие слышали о GPS, многие пользуются им ежедневно. Однако для подавляющего большинства людей это остается лишь технологией, позволяющей определить их местоположение на поверхности Земли. На самом деле, это немного не так, используется сия технология в самых разнообразных сферах человеческой деятельности.

• Военное использование. Было бы странно, если бы система, разработанная военными, ими не использовалась. Ну, так вот, GPS предоставляет возможность высокоточного наведения оружия, включая крылатые ракеты, всевозможные управляемые боеприпасы и т.д. Кроме того, эти спутники содержат на своем борту приборы, которые призваны находить ядерную активность на поверхности Земли, а если проще – взрывы атомных бомб обнаруживать. Надо сказать, эти спутники составляют основную часть американской системы обнаружения ядерных взрывов. Та часть системы, которая доступна гражданским лицам, имеет значительные ограничения. Они касаются скорости передвижения и высоты, таким образом, приемник не будет работать, если Вы (приемник) движетесь выше определенной скорости или если находитесь на высоте, выше заданной. Для чего это сделано? Думаете военных "жаба задавила"? Совсем нет, эти ограничения призваны в корне убить попытки использовать GPS гражданскими лицами по прямому назначению, то есть не позволить наводить оружие.
• Навигация. GPS используется во всем мире для навигации при передвижении на машине, корабле, самолете. Интересно применение GPS в уборочных машинах, контролируемых компьютером и прочих механизмах, которые перемещаются в пространстве. Переносные приемники используют альпинисты и путешественники. Справедливости ради нужно заметить, что сами по себе GPS-приемники не слишком распространены, обычно их встраивают в КПК (PDA), машинные компьютеры и прочие подобные устройства.
• Наблюдение. Более дорогие GPS-устройства используют для наблюдения за изменением ландшафта, передвижением всевозможных границ, а также для точного строительства дорог.
• Пассажирские авиаперевозки. Полеты всегда были связаны со значительным риском. В наше же время, безопасность пассажиров напрямую зависит от надежности электроники. Поскольку GPS-приемник работает напрямую с радиоволнами, потенциально он может внести помехи в работу бортовых систем. Однако, даже на данном этапе развития эта вероятность не более, чем потенциальная, даже для самых дешевых приемников. В связи с этим, политики авиакомпаний разделились, некоторые запрещают использование этих устройств в принципе, другие запрещают только во время взлета и посадки (собственно, в эти моменты запрещено использование практически всех электронных приборов). Самым интересным и удобным является последний вариант – встраивание GPS-приемника в развлекательный центр, который находится в спинке кресла впереди сидящего пассажира. В этом случае приемник можно использовать даже в моменты взлета и посадки.
• Точное время. Многие системы, которые в процессе своей работы требуют качественной синхронизации, используют GPS в качестве источника точного времени. К примеру, GPS может быть использована в качестве системных часов для генераторов временного кода (генерирует что-то, а что, зависит от того, который сейчас час) или NTP часов (Network Time Protocol – синхронизирующий сетевой протокол (протокол, обеспечивающий отсчёт времени в сети Internet с точностью до нескольких миллисекунд на основе использования атомных часов)). Многие сети используют GPS в качестве эталона точного времени для синхронизации радиочастотных генераторов, сетевого оборудования, мультиплексоров (устройство, позволяющее передавать по одной линии несколько сигналов одновременно).

Нужно сказать, что без точной временной синхронизации моментально возрастет уровень ошибок при передаче информации, а в некоторых случаях передача станет невозможна. Это связано с нюансами реализации оборудования. К примеру, при определенной реализации передачи в обыкновенных локальных сетях, сетевые карты должны синхронизироваться чуть ли не после передачи каждого байта. Это конечно совершенно отдаленный пример, но представьте, какой уровень синхронизации должен быть в гораздо более серьезных промышленных и научных установках.

Атомные часы на спутниках отсчитывают "GPS time". Это время измеряется в днях, часах, минутах, секундах, ну и так далее. В общем все также как в земном времени, которое базируется на вращении Земли. Основным отличием является то, что GPS-время абсолютно не зависит от вращения Земли. GPS-день составляет 86400 секунд в СИ (кстати, СИ, это не система измерений, это система интернациональная, вроде пустяк, а знают не все), что является стандартом International Atomic Time (TAI) (Международное атомное время).

В 1980 году GPS-время было приравнено к Coordinated Universal Time (UTC) (универсальное синхронизированное время (среднее время по Гринвичу)). Таким образом, GPS-часы начали тикать 6 января 1980 года в 00:00:00 UTC (00:00:19 TAI), а разница в 19 секунд набежала из-за малопонятных "leap seconds". Но это мы уже уходим в дебри специальных дисциплин, так что если кому интересно – дерзайте, заодно и теорию относительности подучите, она тут на каждом шагу встречается.

• Геофизика и геология. Высокоточные измерения напряжение различных слоев земли могут быть сделаны с помощью GPS. Вначале давайте разберемся с напряжением, это никак не связано с батарейками, здесь это скорее деформация и смещение горных пород под действием каких-либо сил. Для измерения этой величины достаточно взять 2 GPS-приемника, один из которых должен быть неподвижным (насколько это возможно), тогда легко определить смещение второго приемника относительно первого, что и будет искомой величиной. Эта технология находит применения в наблюдении за вулканами, и позволяет заранее предсказать причину и форму будущих изменений окружающего ландшафта.

История развития GPS #

Разработка GPS частично основана на аналогичных наземных системах радио-навигации таких как LORAN (была разработана в начале 1940-х и использовалась в ходе Второй Мировой). Дополнительным толчком к развитию этой системы явился запуск первого искусственного спутника в СССР в 1957 году. Команда американских ученых во главе с Dr. Richard B. Kershner проводила наблюдение за передачей радио сигналов со спутника. Они заметили одну интересную закономерность. В соответствии с эффектом Доплера, частота радиосигнала, посланного спутником, уменьшается с увеличением расстояния от спутника (чем больше прошел сигнал, тем ниже его частота). Скоро пришло понимание, что, зная свое точное положение на земном шарике, а также частоту сигналов, посылаемых спутником, они с высокой точностью могут определить местоположение спутника на земной орбите (в соответствии с расчетами того же Доплера). Нетрудно понять, что обратное утверждение также верно, зная расположение спутника и частоту сигнала, можно определить свое месторасположение на Земле.

Первая спутниковая навигационная система Transit (использовалась военно-морскими силами США) была успешно испытана в 1960 году. В этой системе использовалось 5 спутников, и она позволяла производить навигационные корректировки приблизительно каждый час. В 1967 году морское ведомство США разработало новый спутник – Timation, который предоставил возможность разместить у себя на борту, а фактически вывести на орбиту, точные часы (технология, на которую опирается GPS). В 1970-х наземная навигационная система Omega Navigation System стала первой радио навигационной системой, охватывающей весь земной шар. Эта система основывалась на сравнении фаз сигналов.

Первый экспериментальный Block-I GPS-спутник был запущен в феврале 1978 года. ПервыеGPS-спутники производились Rockwell International, а сейчас производятся Lockheed Martin. После событий 1983 года, когда система противовоздушной обороны СССР сбила пассажирский авиалайнер KAL 007 в своем воздушном пространстве (лайнер попал в воздушное пространство СССР по ошибке), убив всех, кто находился на борту (всего 269 человек), президент США Рональд Рейган заявил, что GPS может стать доступна гражданским лицам сразу после завершения ее строительства. К 1985 году на орбиту было запущено еще 10 Block-I спутников. Первый современный Block-II спутник был запущен 14 февраля 1989 года. К декабрю 1993 года количество спутников было доведено до количества, при котором система уже могла функционировать, а к 17 января 1994 года все 24 спутника были на орбите.

В 1996 году президент США Билл Клинтон в полной мере осознал важность GPS не только для военных нужд, но также и для гражданского использования. После этого выходит директива, устанавливающая статус GPS как двойственной системы (и для военных и для гражданских). В 1998 году вице-президент США Эл Гор объявляет о намерениях добавить в GPS еще два гражданских сигнала для повышения точности и надежности работы системы, а также для обеспечения более высокого уровня безопасности полетов.

Последний запуск спутника был произведен в сентябре 2005 года, в то время как дата запуска самого старого GPS-спутника, функционирующего сейчас, – февраль 1989 года.

GPS-cпутники #

Система GPS использует спутники, расположенные определенным образом, а точнее на Intermediate circular orbit (ICO). Это орбиты, заключенные между околоземной орбитой (1400 км) и геосинхронной орбитой (35790 км). Кроме того, на орбите постоянной присутствуют три незадействованных спутника на случай непредвиденных ситуаций и всевозможных неисправностей и ошибок. Каждый спутник облетает Землю ровно два раза в сутки на высоте 20200 км. Орбиты расположены таким образом, что в любой момент времени практически любая точка земной поверхности находится в покрытии сразу четырех спутников. В каждой из шести орбитальных плоскостей находится шесть активных спутников. Орбита каждого спутника отклонена на 55 градусов от плоскости экватора.

Положение спутников контролируется пятью наземными станциями, расположенными по всему миру (Hawaii, Kwajalein, Ascension Island, Diego Garcia, Colorado Springs). Кроме того, существует одна главная станция (авиабаза Фалькон в шт. Колорадо), которая и передает всю информацию на спутники через второстепенные станции слежения. В этой информации обычно содержится регулировка времени с точность до одной микросекунды.

Каждый спутник регулярно передает во внешний мир время, в соответствии со своими атомными часами и другую информацию в цифровом виде. Обычно спутники передают свое точное положение на орбите и приблизительное положение всех остальных действующих GPS-спутников. Казалось бы, зачем передавать информации о нахождении остальных спутников, однако наземные приемники выбирают самый сильный полученный сигнал, а потом, по полученной информации пытаются поймать менее сильные сигналы других спутников.

GPS-приемники #

Основным назначение GPS-приемника является определение своего местоположения на поверхности Земли. Это положение однозначно определяется с помощью трех параметров – географической широты и долготы, а также положения над уровнем моря. Кроме того, приемник должен определять точное время, не в смысле который сейчас час, а в смысле точной синхронизации со спутником. Все эти параметры определяются с помощью процесса трилатерации. Если в двух слов, то трилатерация заключается в нахождении положения объекта с помощью как минимум четырех точек с известными координатами и известными расстояниями от каждой точки до объекта. Вообще говоря, находят они не расстояние, а псевдодальность (pseudorange), что является первым приближением расстояния.

Итак, спутники посылают сигнал, в котором зашифрованы их собственные координаты и время, когда сигнал был отправлен. Получив сигнал, приемник расшифровывает его, высчитывает орбиту каждого из спутников, а затем находит расстояние до этих спутников. Расчет расстояния производится учитывая задержку между временем, когда сигнал был отправлен и когда был получен. Таким образом, зная время, за которое пришел сигнал, легко найти и расстояние, умножив его на скорость сигнала.

Процесс точного определения задержки, пожалуй, самый трудоемкий. Каждый спутник периодически посылает 1023 бита псевдо произвольной последовательности (pseudo random sequence), это последовательность, которая обладает лишь некоторыми свойствами произвольной. У каждого спутника такая последовательность своя, что позволяет им делить одни и те же радиочастоты с помощью параллельного доступа с кодовым разделением (Code division multiple access). Приемник генерирует последовательности, которые посылает каждый из спутников и сравнивает с полученными, таким образом, приемник может легко распознать каждый из спутников.

Вернемся к вопросу трилатерации. Приемник уже определил 4 положения спутников и 4 расстояния до них. Теперь представьте 4 сферы с центрами в местах, где находятся спутники и радиусами равными расстояниям до спутников. Вообще говоря, исходя из школьной стереометрии, возможны 3 варианта: 2 точки пересечения, одна точка пересечения и никаких точек пересечения. По очевидным причинам точкой пересечения является местонахождения приемника. Две точки возможны если все спутники находятся в одной плоскости, что не всегда возможно (3 спутника всегда лежат в одной плоскости). Этот вариант в принципе тоже приемлем, так как одна точка находится где-то на Земле, а вторая симметрична относительно плоскости, в которой лежат спутники, а точнее где-то в космосе. Выбрать нужную достаточно просто. Если же точка пересечения одна, то она и является искомой.

При работе реальных приемников все несколько сложнее, виной этому несколько вполне определенных причин. Стоимость GPS-приемника начинается с $90, а стоимость атомных часов примерно равна стоимости нескольких десятков произведений немецкого автопрома, а 50 мерседесов стоят явно дороже 50 баксов. Таким образом, расстояние высчитать не так то просто. К счастью, достаточно точные обыкновенные часы, которые к великой радости, могут дать достаточно точное сравнение для времени сигнала. В результате этого возникает погрешность определения географического положения, к счастью небольшая (сферы пересекаются около одной точки).

Немного выше, когда я рассказывал о вычислении расстояния, я не зря проехал мимо скорости сигнала, это одна из самых больших проблем GPS. Если Вы решали школьные задачи по физике, то там эта скорость считается равной скорости света в вакууме, что, вообще говоря, не верно, в воздухе свет движется медленнее, другое дело, что отношение этих скоростей равно единице и первая цифра после нуля где-то достаточно далеко. Однако, при вычислении точного положения, эти цифры вносят значительный вклад. Самое страшное, что скорость сигнала в ионосфере (проблема в основном здесь) меняется практически непредсказуемо, и чем толще слой, через который должен пройти сигнал, тем больше может быть ошибка. Если спутник висит прямо над приемником, то ошибка минимальна. Если же нет, то ошибка растет вместе с углом отклонения спутника к горизонту. Для исправления этой ошибки, определяется сначала приблизительное положение приемника, а затем строится математическая модель и, исходя из нее, устраняется погрешность.

Изменение скорости радиосигнала в ионосфере зависит от его частоты, поэтому вторую частоту L2 (об этом ниже) для устранения этой ошибки. Некоторые военные и дорогие гражданские (обычно используемые для мониторинга) приемники могут сравнивать частоты L1 и L2, рассчитывать задержку сигнала в атмосфере и производить точную корректировку.

GPS-сигналы подвергаются рассеянию и отражению на окружающей поверхности – здания, рельеф местности, плотные виды почвы и т.д. Это причина возникновения еще одной ошибки. Множество методик приема призвано уменьшить эту ошибку (в частности Narrow Correlator spacing – достаточно специфический вопрос, я так понимаю, сравнивают полученную функцию с тем, что должно быть с достаточно жесткими условиями). Если же сигнал заблудился и долго где-то путешествовал, то приемник сам способен распознать это и проигнорировать такой сигнал. Если же сигнал только отразился, например, от земной поверхности, отфильтровать его гораздо сложнее (используются специальные антенны). Это связано с тем, что такие погрешности малозаметны при сравнении с основным сигналом и очень похожи на искажения, вызванные обычными движениями воздушных масс.

Многие GPS-приемники могут передавать информацию ПК или другим приборам, используя NMEA 0183 протокол. NMEA 2000 – более новый, однако менее распространенный протокол.

Частоты GPS #

Итак, рассмотрим несколько частот, которые присутствуют в спектре электромагнитных волн (радиоволн) GPS: (Почему несколько? Система наполовину военная, всей правды Вам никто не расскажет).

• L1 (1575.42 МГц): первая несущая частота;
• L2 (1227.60 МГц): вторая несущая частота; Спутник излучает синусоидальные сигналы на двух этих частотах. Как было сказано выше, перед отправкой, эти сигналы модулируются псевдо случайной последовательностью (фазовая манипуляция). Частота L1 модулируется двумя видами кодов: C/A-кодом (код свободного доступа) и P(Y)-кодом (код санкционированного доступа), а частота L2- только P-кодом. Не стоит забывать и про информацию о положении спутников и времени, которая также присутствует в этом сигнале. Coarse Acquisition C/A (код свободного доступа) имеет частоту импульсов 1023 МГц и период повторения 0,001 сек. Этот код декодируется без проблем, однако определение точного положение с его помощью практически нереально. Protected код P(Y) (код санкционированного доступа) имеет частоту следования импульсов 10,23 МГц и период повторения 7 суток. Этот код меняется раз в неделю, а вносить в него изменения могут только доверенные лица министерства обороны США. Точнее могли, американцы дали маху и информация от них утекла. Пришлось принять дополнительные меры безопасности: в любой момент может быть запущен режим Anti Spoofing. При этом P сигнал кодируется и превращается уже в Y сигнал, который может быть расшифрован только аппаратно. Selective Availability SA (SA, режим выборочного доступа) специально создан для защиты от несанкционированных пользователей. При работе этого режима в информационном сообщении посылается не информация о положении спутников и времени, а несколько исправленная информация. Вносятся небольшие поправки (10 метров горизонтально и 30 вертикально, примерно разумеется) и точность определения сразу значительно снижается.
• L3 (1381.05 МГц): это вклад спутников в программу обороны США, сия частота предназначена для обнаружения запуска ракет, ядерных взрывов и прочих событий, сопровождающихся выбросами большого количества энергии;
• L4 (1841.40 МГц): сигнал для дополнительного исправления ошибок при прохождении сигналом ионосферы;
• L5 (1176.45 МГц): частота для подачи сигнала СОС (safety-of-life (SoL)). На этой частоте будут подаваться сигналы бедствия, при этом прогнозируются минимальные погрешности приема или вообще их отсутствие. Первый спутник Block-IIF, поддерживающий возможность вещания на этой частоте должен быть запущен в 2008 году.

Возможности улучшения GPS #

• Differential GPS (DGPS) – дифференциальный GPS. Позволяет увеличить точность определения с 4-20 метров до 1-3 метра. Принцип заключается в создании наземной сети стационарных GPS-приемников, которые рассчитывают свои координаты, исходя из показаний спутников (которые всегда имеют погрешность), и сравнивают со своими координатами, которые заранее известны. Поправка транслируется в локальном пространстве как FM сигнал. Этот метод позволяет дешевым гражданским приемникам значительно увеличить свою точность.
• The Wide Area Augmentation System (WAAS) – система панорамного обзора. Строятся наземные станции, которые занимают примерно тем же, что и в предыдущем случае, только не транслируют это в эфир, а передают дополнительным спутникам на геосинхронной орбите, а те в свою очередь транслируют это в эфир, кроме того, они сообщают информацию о задержке сигнала в ионосфере и т.п. Эта система может существенно помочь в воздухоплавании в условиях плохой и нулевой видимости. К сожалению, сейчас запущено только несколько WAAS спутников. Сейчас эта система функционирует только в районах западного и восточного побережья США. Однако, аналоги этой системы создаются в Европе EGNOS, the Euro Geostationary Navigation Overlay Service), и Японии (MSAS, the Multi-Functional Satellite Augmentation System). Эти системы практически идентичны WAAS.
• A Local Area Augmentation System (LAAS). Коррекция аналогична предыдущему случаю, но трансляция происходит не со спутника, а с наземной станции, вблизи которой требуется повышенная точность (например, аэропорт).

Отзывы

1 Оставить отзыв

• 
  Владимир 04.02.2009 в 13:13

  Отличный текст.

  Ответить

Всего отзывов    1

Оставить отзыв

Добавить отзыв

загрузить другую

Ваш отзыв

Показать все смайлы
© Mantsurov Ivan, знакомые колобки?

Отправить