4.2.Б.Глобальная позиционная система (гпс)

Глобальная система позиционирования (GPS) совершила настоящий переворот в навигации. Во многих случаях, когда точность определения местоположения объекта не должна превышать 5-10м, портативный приемник GPS, сопоставимый по размеру и цене с мобильным телефоном, просто незаменимая вещь, позволяющая отказаться от традиционных методов определения координат и экономить время и средства.

Широкое распространение с середины 1990-х годов доступных приемников GPS преобразило практику навигации. Точность этих приборов, их способность функционировать при любых погодных условиях сделали гораздо более безопасными многие специальности и виды досуга. Технология GPS постоянно совершенствуется, становится все более дешевой. Уже появились миниатюрные приемники GPS, встроенные в наручные часы, в мобильные телефоны, карманные компьютеры и другие электронные устройства.

Глобальная система позиционирования - детище американского военного ведомства. Изначально она была задумана как точный и надежный всепогодный инструмент навигации для армии, флота и военно-воздушных сил США. Систему стали разрабатывать в начале 1970-х годов, однако полностью была введена в действие только в середине 1990-х. Первоначально проект именовался Navstar GPS (Навигационная спутниковая система отсчета времени и расстояний), но сегодня повсеместно известен просто как GPS.

Подобно многим другим более ранним военным технологиям, GPS очень скоро доказала возможность своего применения во многих других, вполне мирных областях человеческой деятельности, включая картографию, геологию, геодезию, а также коммерческую и любительскую навигацию.

 Глобальная система позиционирования (GPS) состоит из трех отдельных, связанных элементов: наземного сегмента (наземных станций слежения), космического сегмента (спутников) и пользовательского сегмента (персональных приемников GPS). Все три объединяются посредством передачи и приема радиосигналов.

Пять наземных станций сегмента управления размещены на базах ВВС США по всему миру, а именно: в Колорадо-Спрингс (Северная Америка), на Гавайях (центральная часть Тихого океана), на острове Вознесения (центральная часть Атлантического океана), на острове Диего-Гарсия (Индийский океан) и на атолле Кваджалейн (западная часть Тихого океана). Наземные станции постоянно следят за работой спутников, контролируют их точное положение, корректируют орбиту, синхронизируют атомные часы и передают на спутники данные о точном местоположении и времени.

Космический сегмент системы составляют двадцать четыре спутника GPS, которые вращаются вокруг Земли на высоте около 20200 км. Всего орбит шесть и на каждой находится по четыре спутника . Каждый спутник за 12 часов совершает один виток вокруг Земли. Орбиты расположены так, что в любой момент времени на линии прямой связи с любой точкой поверхности планеты находятся по крайней мере пять спутников.

Каждый спутник постоянно передает радиосигналы, в которых закодированы данные как о его собственном положении и скорости, так и о положении и скорости всех остальных спутников. Кроме того, каждый спутник транслирует сигналы точного времени по собственным атомным часам. Все спутники поддерживают друг с другом постоянную связь, поэтому каждый из них "знает", где в каждый момент времени находятся все прочие спутники системы.

Глобальная система позиционирования оснащена 24 спутниками, вращающимися вокруг Земли на высоте 20200 км. Каждый спутник за 12 часов совершает один виток.

Пользовательский сегмент представлен всеми имеющимися в мире приемниками GPS. Поскольку все, что делает приемник ради определения собственного местоположения, сводится к получению сигналов со спутников - сами устройства лишены качеств передатчика, то, соответственно, верхнего предела численности пользователей просто не существует.

Когда система впервые стала доступной для гражданских лиц, Министерство обороны США обеспечило военным преимущество в ее использовании путем включения в принимаемые гражданскими GPS сигналы намеренных и случайных ошибок. Такая практика получила название селективного доступа.

Реальным проявлением подобного подхода стало то, что, если военные приемники могли определять местоположение с точностью до 15 м, а в отдельных случаях и до 1 м и даже меньше, то точность гражданских не превышала 100 м. При этом выбор величины ошибки производился методом случайных чисел и узнать ее было фактически невозможно. К счастью, 1 мая 2000 г. практика селективного доступа была отменена, и сегодня точность показаний гражданских и военных приемников вполне сопоставима.

По сравнению с традиционными навигационными приборами и приемами, портативный приемник GPS обладает определенными преимуществами. Он работает все 24 часа в сутки в любых погодных условиях и в любой точке планеты, способен указать местоположение с погрешностью до 15м, что достаточно для туристов и целого ряда производственных нужд.

В пользу преимуществ приемника GPS для человека, оказавшегося в незнакомой местности, можно привести три ключевых довода:

-приемник фиксирует ваше точное местоположение даже в условиях нулевой видимости;

-он указывает направление на цель вашего путешествия и расстояние до нее;

-приемник запоминает ваше нынешнее положение, поэтому впоследствии вы сможете это положение восстановить, то есть вернуться на прежнее место.

Без исключительной точности, обеспечиваемой атомными часами, GPS работать не могла бы. Качество позиционирования зависит от точности измерения времени, за которое радиосигналы, распространяющиеся со скоростью света (около 300 000 км/с), проходят расстояние от спутника до приемника. Ошибка в 1 мс (одна тысячная секунды) выльется в ошибку позиционирования на местности величиной в 320 км. Атомные часы позволяют рассчитывать время с точностью, измеряемой наносекундами (миллиардными долями секунды).

К таким местам, где приемник GPS, как правило, бесполезен, относятся:

-внутренние помещения зданий;

-пещеры;

-подводное пространство.

Места, где прием будет слабым или неустойчивым:

-городские улицы с высотными зданиями;

-глубокий каньон или ущелье;

-густой лес или джунгли

В определенных местах приемник GPS, возможно, не будет принимать четкий сигнал со спутника и, следовательно, может указывать неточное положение. К таким местам относятся города с большим количеством высотных зданий, густой лес и джунгли, глубокие каньоны. Исправить ситуацию можно, поднявшись выше над землей и обеспечив прибору больший обзор небесной сферы.

Метод измерения по двум частотам более точен и используется в военных приемниках. Он базируется на такой особенности радиосигналов разной частоты, как способность к различным по величине рефракционным искажениям. Путем сопоставления различий в синхронизации двух сигналов разной частоты вычисляется точное значение рефракции.

Спутники GPS передают сигналы на двух частотах, обозначаемых как L1 и L2. Гражданские приемники могут принимать только сигналы на частоте L1, тогда как военные работают с обеими частотами, что позволяет им выполнять соответствующую коррекцию.

Среднее время прохождения радиосигнала от спутника к приемнику - порядка 0,06 секунды. При столь мизерных величинах надежная работа GPS возможна только при условии исключительно точного отсчета времени, который и обеспечивают атомные часы.

Стоимость атомных часов колеблется от 50 тыс. до 100 тыс. долларов. Понятно, что в вашем приемнике GPS за 100 долларов таких часов нет. Тем не менее с помощью хитроумной математической операции, которая выполняется в ходе определения местоположения, внутренние часы приемника могут быть синхронизированы с часами спутника, что на какое-то время делает их не менее точными, чем атомные.

При наличии единственного спутника мы имеем одну окружность положения - путешественник может находиться в любой ее точке. С двумя спутниками получаем две взаимопересекающиеся окружности положения, и выбор возможного положения путешественника ограничивается двумя точками. С появлением третьего спутника появляется и третья окружность, фиксирующая положение человека в единственной точке пересечения всех трех окружностей.

Строго говоря, пересечение трех сфер дает не одну точку, а две, однако приемник без труда вычленяет расположение одной из точек далеко в космосе и просто ее игнорирует.

Сигнал с четвертого спутника необходим для синхронизации внутренних часов приемника с атомными часами спутника, поэтому для точного определения местоположения нужно как минимум четыре спутника.

Как только приемник GPS узнает точное местоположение спутника и расстояние до него, он сможет вычертить вокруг точки нахождения спутника сферу положения, и тогда сам приемник будет находиться в какой-то точке этой сферы. В сущности, отнюдь не "в какой-то", поскольку основная часть сферы находится далеко в космосе. Приемник будет располагаться где-то вблизи поверхности земли - позиционирование GPS трехмерное и включает высоту.

Когда обзор небесной сферы ограничен, приемнику GPS, возможно, удастся поймать сигнал лишь от трех спутников. И в этом случае приемник должен использовать один из спутников для синхронизации часов. Расчет высоты, таким образом, не производится, а с помощью двух других сигналов выполняется определение местоположения в двухмерном (2D) пространстве.

Переключаясь на режим 2D, приемник сообщает об этом своему владельцу соответствующей индикацией на дисплее. Ошибка определения местоположения может составлять от 150 до 1525 м, поэтому слишком полагаться на данные режима 2D в серьезных ситуациях не следует. По возможности перейдите место, где прибору будет обеспечен более широкий обзор небесной сферы.