опис gps
Супутникова система GPS відома також під іншою назвою - NAVSTAR. Очевидно, розповідь про GPS був би неповним без відомостей про самих супутниках.
Кожен супутник важить більше 900 кг і має розмір близько 5 м (з розкритими сонячними батареями).
Потужність радіопередавача - не більше 50 Ватт.
Кожен супутник передає сигнали на 3-х частотах. Цивільні GPS -приймачі використовують частоту "L1", рівну 1575.42 МГц.
Орбіти супутників розташовуються приблизно між 60 градусами північної і південної широти. Цим досягається те, що сигнал від хоча б від деяких супутників може прийматися повсюдно в будь-який час. Навіть на полюсах можна "побачити" супутники - правда, вони не будуть пролітати прямо над головою. Це, звичайно, вплине на геометрію і. отже, на точність - але лише трохи.
Одним з найважливіших переваг GPS перед існуючими раніше наземними системами є всепогодность. Незалежно від того, для яких цілей Ви використовуєте навігацію, GPS-приймач готовий показати Ваше місце розташування - і саме тоді, коли вам це треба.
Яку ж інформацію передає GPS-супутник?
Його сигнал містить т.зв. "Псевдовипадковий код" (PRN - pseudo-random code), ефімеріса (ephimeris) і альманах (almanach). Псевдовипадковий код служить для ідентифікації передавального супутника. Всі вони пронумеровані від 1 до 32 і цей номер показується на екрані GPS-приймачем під час його роботи. Чому ж кількість PRN-номерів більше, ніж число супутників (24)? Це полегшує обслуговування GPS-мережі: новий супутник може бути запущений, перевірений і івведен в експлуатацію ще до того, як старий вийде з ладу. Такому супутнику просто буде присвоєно новий номер (від 1 до 32).
Дані ефімеріса, постійно передаються кожним супутником, містять таку важливу інформацію, як стан супутника (робочий або неробочий), поточна дата і час. Без цього Ваш GPS-приймач не знав би, зокрема, який сьогодні день і котра зараз година. Крім цього, як ми побачимо далі, ця частина сигналу вкрай важлива для визначення місця розташування.
Дані альманаху говорять про те, де протягом дня повинні знаходитися всі GPS-супутників. Кожен з них передає альманах, що містить параметри своєї орбіти, а також всіх інших супутників системи.
Мабуть тепер картина того, як працює GPS. повинна ставати для Вас трохи ясніше. Каждяй супутник передає сигнал, який, образно кажучи, означає наступне: "Я - супутник № Х, зараз моє становище Y, це повідомлення було послано під час Z". Звичайно, це - сильне спрощення, але допоможе зрозуміти ідею.
Ваш GPS-приймач отримує це повідомлення і запам'ятовує ефімеріса і альманах для подальшого використання. Ця ж інформація використовується для установки або корекції годинника приймача. Отже, для визначення місця розташування GPS-приймач порівнює час відправки сигналу з супутника згодом його отримання на Землі. Ця різниця в часі говорить приймачу про відстані до конкретного супутника. Якщо додати до цього інформацію про відстань, виміряний до декількох інших супутників, то можна тріангуліровать своє місце розташування. Це в точності те, що робить GPS-приймач.
Маючи сигнали від мінімум трьох супутників, він може визначити широту і довготу - це називається двовимірної фіксацією. Якщо ж супутників чотири або більше, то GPS-приймач може визначити положення в 3-х мірному просторі, тобто вказати широту, довготу і висоту. Постійно відстежуючи Ваше місце розташування протягом деякого часу, приймач також може розрахувати швидкість і напрямок Вашого руху (мається на увазі т.зв. "наземна швидкість" і "наземний курс"). Це були хороші новини, тепер - погані!
Що ж змушує GPS-приймач працювати гірше своїх граничних можливостей?
Існує кілька факторів, що вносять помилку в визначення місця розташування, які дозволяють отримати найкращу точність. Першим і найбільш істотним з них є т.зв. "Виборчий доступ" (SA - Selective Availability). SA - це навмисне зменшення точності цивільних GPS-навігаторів, здійснюване Міністерством оборони США. SA призводить до зменшення точності максимум до 100 метрів. Звичайно, внесена помилка зазвичай не досягає цієї величини, але значення в 30 і більше метрів - не так вже й рідкісні.
Чому існує SA? Спочатку GPS була розроблена і створена для військових цілей. У міру її впровадження стало ясно, що вона може успішно застосовуватися і для ряду цивільних завдань. На початку 80-х років у своїй президентській промові Рональд Рейган заявив, що GPS буде доступна кожному - з тим лише винятком, що найкраща точність буде залишена для військових. З цього часу почався регулярний запуск супутників з можливістю SA. Сьогодні всі існуючі GPS-супутників мають можливість і застосовують на практиці SA. Раціональне зерно в SA - не дати військового супротивника або терористичних організацій використовувати макимальний точність GPS.
Іншим фактором, що впливає на точність GPS є геометрія супутників. Простими словами, поняття "геометрія супутників" означає те, як вони розташовані щодо один одного і GPS-приймачем. Якщо, наприклад, приймач "бачить" чотири супутники і всі чотири розташовані в північному і західному напрямках, то супутникова геометрія швидше погана. Причому аж до того, що приймач взагалі не зможе визначити місце розташування.
Чому приймач не зможе визначити місце розташування?
Тому що всі відстані, виміряні до супутників, будуть лежати в одному глобальному напрямку. Це означає, що тріангуляція буде поганий і що область перетину побудованих прямих буде досить великий (тобто область ймовірного положення буде займати значний простір і точно вказати координати неможливо). В цьому випадку, навіть якщо приймач видає деякі значення координат, їх точність не буде достатньо хороша (можливо, 100 - 150 м).
Якщо ж ці чотири супутники будуть перебувати в різних напрямках, то точність значно зросте. Припустимо, що вони розташовані рівномірно на всі боки горизонту - на півночі, сході, півдні і заході. Тоді, очевидно, геометрія буде дуже хорошою. Область, яка визначається перетином відповідних прямих буде невелика і ми можемо бути впевнені в правильності розрахованого розташування. У такому випадку, навіть якщо взяти до уваги дію SA, точність може бути не гірше 30 м.
Геометрія супутників стає особливо важливою при використанні GPS-приймач в автомобілі, серед високих будівель, в горах або в глибоких ущелинах. Якщо сигнали від деяких супутників виявляються екрановані, то точність визначення місця розташування буде залежати від решти "видимими" супутників (а від їх кількості - можливість провести розрахунки взагалі). Чим більша частина неба закрита штучними або природними предметами, тим складніше визначити положення. Хороші моделі GPS-приймач показують не тільки скільки супутників знаходяться в зоні видимості, але і де вони розташовані на небі (напрямок і висоту над горизонтом) для того, щоб Ви могли визначити, чи не екранується чи сигнал від даного супутника.
Іншим джерелом помилок є переотраженіе супутникового сигналу від різних об'єктів. (В побуті ми зустрічаємося з цим явищем у вигляді появи роздвоєного зображення на екрані телевізора.) У випадку GPS переотраженіе виникає при взаємодії сигналу з будівлями або рельєфом місцевості до того, як він досягне прийомної антени. Такому сигналу потрібно більше часу для досягнення приймача, ніж прямим. Це збільшення часу змушує приймач вважати, що супутник знаходиться на більшій відстані, ніж насправді і це збільшує помилку при визначенні положення. Такі переотражения, якщо відбуваються, то можуть додати близько 5 м в загальну помилку.
Чи існують інші джерела похибок?
Звичайно. Наприклад, затримка проходження сигналу через разлічниз атмосферних феноменів. Або помилка ходу годинника приймача. Однак GPS -прилади спроектовані так, щоб, по можливості, компенсувати їх і, треба сказати, вони справляються з цим завданням цілком успішно. Однак, невеликі спотворення все ж можливі. Для тих, хто цікавиться, можна помітити, що затримка проходження сигналу означає зменшення швидкості поширення радіохвиль при проходженні іоносфери і тропосфери Землі. У космосі радіосигнали поширюються зі швидкістю світла, однак при потраплянні їх в іонізовані шари атмосфери Землі вони істотно сповільнюються.
Наскільки ж точна GPSна практиці?
Звичайні цивільні GPS -приймачі забезпечують точність від 20 до 70 м в залежності від діючого на даний момент SA, кількості видимих супутників і їх геометрії. Більш складні і дорогі прилади, які коштують кілька тисяч доларів, можуть забезпечити точність до декількох сантиметрів, використовуючи не оду, а кілька радіочастот. Однак точність навіть звичайних цивільних GPS-приймач може бути збільшена до 4 м і більше (в ряді випадків - до 1 м) за допомогою т.зв. диференціальної GPS (DGPS). DGPS використовує додатковий, фіксований в одній точці GPS-приймач для визначення корекції супутникових сигналів. Як же величина необхідної корекції повідомляється Вашому GPS-приймач?
В даний час в світі існує кілька безкоштовних і платних служб такого роду. Так, наприклад, Берегова охорона США і Інженерний корпус Армії США передають GPS -корекція через морські радіо-буї. Вони працюють в діапазоні 283.5 - 325.0 кГц і користуватися ними можна безкоштовно. Вашими єдиними витратами, якщо Ви захочете користуватися послугами цих служб, буде придбання DGPS-приймача. Цей приймач підключається до Вашого GPS-навігаторів з допомогою 3-х проводового кабелю, по якому поправка передається в звичайному послідовному вигляді в форматі, званому RTCM SC-104.
Платні DGPS-служби працюють в УКХ-діапазоні або здійснюють мовлення через супутники. Природно, і в цих випадках Вам знадобиться спеціальний DGPS-приймач для прийому поправок і передачі їх на GPS-навігатор. Ціна залежить від необхідної точності.
Який же GPS -премнік буде для Вас найкращим?
Ось він, головне питання, чи не так? І, звичайно, найскладніший, тому що на відповідь впливають багато різних факторів.
Як передбачається його використовувати? Адже найважче - це знайти прилад, відповідний для Ваших конкретних завдань. Якщо Вам потрібен приймач для установки в приладову панель планера, то ручний навігатор для відпочинку на воді не становитиме ніякого інтересу. Для того, щоб звузити діапазон пошуку, Вам треба уважно подивитися, які прилади випускаються для Ваших специфічних завдань.
Після цього в деяких випадках Ви все ще можете мати досить широкий вибір моделей. Наприклад, якщо Ви віддаєте перевагу піший туризм або полювання, то Вам підійде прилад в герметичному виконанні - втім з тим же успіхом, що й портативна модель, призначена для яхтсменів або льотчиків-любителів. У такій ситуації Вам доведеться більш детально вивчити їх специфічні особливості. Якщо Ви не збираєтеся пілотувати літак, то вся додаткова інформація про аеропорти світу, що зберігається в пам'яті ручних авіаційних GPS-приймач, що не буде виправдовувати різниці в ціні. Морські навігатори зі змінними картриджами, що зберігають точні дані про навігаційних знаках і глибинах, також не дуже Вам допоможуть (якщо Ви, звичайно, не захочете іспольхзовать його також на Вашій яхті).
Який ціновий діапазон. Як тільки Ви визначили невеликий перелік відповідних приладів, Вам все ще належить визначитися з прийнятною ціною. Уважно вивчіть кожну модель і постарайтеся зрозуміти, що мають більш дорогі моделі, чого немає в дешевших? Чи потрібні Вам додаткові функції або приналежності, властиві більш дорогим моделям, або дешевої цілком достатньо для виконання завдання?
Яка модель Вам більше подобається? Вибір правильного навігатора - це на дві третини раціональні міркування, і на одну третину - просто почуття. Якщо логіка підказує Вам зупинитися на двох або трьох моделях, спробуйте попрацювати з кожною з них. Іноді різниця в зручності експлуатації може здатися дуже великий. Один з приладів Вам може представитися зрозумілим і зручним, а інший - занадто складним у використанні. Вибирайте той GPS-приймач, який Вам більше подобається! Більше шансів, що Ви як і раніше будете задоволені своїм вибором і через місяць, і через рік!
Хто ж і як використовує GPS.
Взагалі кажучи, GPS може знайти застосування скрізь, крім місць, де можна приймати супутникові сигнали, тобто в будівлях, під землею, під водою і т.п. В авіації найбільш поширене застосування GPS в якості навігаційного на комерційних і любительських літаках. На море GPS зазвичай також використовується рибакааі і любителями відпочинку на морі в якості навігаційного приладу. Наземне застосування GPS дуже різноманітно.
Досить цікавим є використання GPS багатьма вченими і дослідниками в якості джерела точного часу. Дійсно, як уже говорилося вище, визначення часу проходження радіосигналу лежить в основі самої ідеї GPS. З цією метою внутрішній годинник приймача постійно синхронізуються з прецизійними атомним годинником, встановленими на супутниках. Це дозволяє забезпечити точність вимірювання часу від мікро- до наносекунд. Тому при проведенні наукових експериментів стає можливим повсюдно мати абсолютнио точні часові позначки. Не можна, звичайно забувати, що і інформація про становище в ряді експериментів теж може становити інтерес.
Важливе місце займає GPS в роботі рятувальних служб. GPS дозволяє істотно скоротити витрати, пов'язані з пошуковими роботами і значно скоротити час проведення рятувальних операцій. Використовувані цими службами GPS -приймачі коштують близько 3 000 $ і забезпечують точність до 1 м. Існують і ще більш дорогі моделі, що забезпечують точність до декількох сантиметрів!
Цілі, для яких GPS використовується любителями відпочинку на природі, так само різноманітні, як і види такого відпочинку. Сьогодні GPS стає надзвичайно популярним серед любителів пішого, гірського, водного і лижного туризму, мисливців, рибалок, велосипедистів і ще багатьох інших. Будь-, кому потрібно знати, де він знаходиться і звідки прийшов, як йому дістатися до потрібного місця, з якою швидкістю він рухається і коли добереться до мети - може легко користуватися перевагами, наданими GPS.
У дуже недалекому майбутньому GPS стане стандартним обладнанням автомобілів. Деякі базові системи, як, наприклад, виклик техдопомоги і поліції на місце аварії, вже почали впроваджуватися (водій натиснув кнопку, GPS-приймач визначив координати і передав їх разом з сигналом виклику на диспетчерський центр і - виезднаябрігада вже знає, куди їхати). Впроваджуються також і інші системи, які відображають на екрані Ваше положення і допомагають прокладати маршрут через лабіринти вулиць і доріг. Для контролю пересування спецавтомобілів (наприклад, інкасаторських) і для боротьби з угонами почали використовуватися системи, постійно відстежують стан рухомого об'єкту на карті местости.