Какво е GPS и как работи?

Без значение какви са условията, GPS приемникът може да ви каже къде се намирате на земята. Те могат да работят 24 часа в денонощието, 365 дни в годината, почти навсякъде. Те работят в виелици, в гъста мъгла и дори в средата на океана, когато нямате ориентир.

Ефективността може да бъде компрометирана само в области, където има обекти, които могат да блокират сателитни сигнали, като гъсти дървета или сгради, които блокират небето. GPS приемниците ви помагат да разберете къде ще бъде следващата ви спирка, колко далеч сте от там и коя посока можете да използвате, за да стигнете до там. Можете дори да запазите информация за себе си, която може да ви отведе до онази тайна дупка за риболов, до която сте забравили как да стигнете, или онзи горещ извор, на който сте попаднали миналата зима, и можете да го намерите отново, когато пожелаете.

Благодарение на тези функции GPS увеличи популярността си сред любителите на природни спортове като алпинизъм, парапланеризъм и трекинг и достигна широка потребителска база.

GPS, глобална система за позициониране. (Глобална система за позициониране) Това е сателитна мрежа, която редовно изпраща кодирана информация и дава възможност да се определи точното ни местоположение на Земята чрез измерване на разстоянието между нас и сателитите. Тази система се състои от 24 сателита, които са постоянно в орбита и принадлежат на Министерството на отбраната на САЩ. Тези сателити излъчват радиосигнали с много ниска мощност.

GPS приемникът на Земята приема тези сигнали. Това дава възможност да се определи местоположението. Създаването на тази необикновена система не струва евтино на Америка. Инсталираната стойност на системата е приблизително 12 милиарда щатски долара. Текущите разходи за поддръжка увеличават стойността на системата.

Първоначалното създаване на тази система е с чисто военни цели. GPS приемниците са предназначени за използване при навигация, военни кацания и изстрелвания на ракети. Въпреки това, през 80-те години на миналия век GPS системата беше предоставена за гражданска употреба.

Области на употреба

GPS има много приложения на сушата, във въздуха и в морето. С прости думи, GPS ви позволява да маркирате местата, на които сте били, и да се върнете до точката, която сте посочили. GPS работи навсякъде по света, с изключение на места, където сигналите се приемат трудно, като например на закрито и под вода.

GPS система

Системата NAVSTAR се състои от космически сегмент (сателити), контролен сегмент (наземни станции) и потребителски сегмент (GPS приемник).

Космически отдел

Космическият сегмент се състои от поне 24 спътника (21 активни спътника и 3 резервни) и е центърът на системата. Сателитите са разположени в орбита, наречена "Висока орбита", която е на 20 000 км над земната повърхност. Сателитите на такава голяма надморска височина имат много широко зрително поле и са разположени по такъв начин, че GPS приемник на Земята винаги може да види поне 4 сателита.

Сателитите се движат със скорост от 7000 мили в час и обикалят около Земята веднъж на всеки 12 часа. Те се захранват със слънчева енергия и са проектирани да издържат поне 10 години. Освен това има резервни батерии в случай на прекъсване на слънчевото захранване (слънчеви затъмнения и др.) и малки ракети-носители за орбитална корекция.

Проектът GPS започва с изстрелването на първия сателит през 1978 г. 24-сателитната мрежа е завършена през 1994 г. Бюджетът за непрекъснатостта и развитието на проекта принадлежи на Министерството на отбраната на САЩ.

Всеки от сателитите излъчва радиосигнали с ниска мощност на две различни честоти. (L1, L2) Гражданските GPS приемници слушат на честота L1 (1575,42 MHz в UHF обхвата), докато приемниците на Министерството на отбраната на САЩ слушат на честота L2 (1227,60 MHz). Този сигнал се движи по „линията на видимост“. Това означава, че може да преминава през облаци, стъкло и пластмаса, но не и през твърди предмети като стени и планини.

За по-добро разбиране, ако искаме да сравним честотата L1 със сигналите на радиостанцията, които познаваме; FM радиостанциите излъчват между 88 и 108 MHz, докато L1 използва 1575,42 MHz. Освен това GPS сателитните сигнали имат много ниска мощност. Докато FM радиосигналите имат мощност от 100 000 вата, L1 сигналът е между 20-50 вата. Ето защо е необходима ясна линия на видимост, за да получите ясен сигнал от GPS сателитите.

Всеки сателит излъчва два специални псевдослучайни кода, които позволяват на наземните приемници да идентифицират сигналите. Това са защитен код (P код) и груб код/придобиване (C/A код). Чрез разбъркване на кода P се предотвратява неоторизирана употреба за граждански цели, това се нарича "Anti-Spoofing". Друго име, дадено на P кода, е "P (Y)" или просто "Y" код.

Основната цел на тези сигнали е да позволят на приемника на земята да изчисли разстоянието до сателита чрез измерване на времето на пристигане на сигнала. Разстоянието до спътника е равно на времето, необходимо за пристигането на сигнала, умножено по неговата скорост. Приетата скорост на сигналите е скоростта на светлината. Този входящ сигнал включва информация за орбитата на сателита и информация за часовника, обща информация за състоянието на системата и информация за йоносферното забавяне. Сателитните сигнали се измерват с помощта на много надеждни атомни часовници.

Контролен отдел

Както подсказва името му, контролната секция непрекъснато наблюдава GPS спътниците, предоставяйки точна информация за орбита и време. В света има 5 контролни станции. Четири от тях са безпилотни и един е пилотиран главен контролен център. Безпилотните контролни центрове изпращат събраната от тях информация до главния център. Тази информация се оценява в главния център и необходимите корекции се съобщават на сателитите.

Потребителски раздел

Потребителската секция е приемниците на земята. Както споменахме по-рано, всеки човек, който иска да определи местоположението си с помощта на GPS за различни цели, попада в потребителския раздел на системата.

GPS принцип на работа

Значение на сателитното местоположение

За да определи местоположението си, GPS приемникът трябва първо да знае точното местоположение на сателитите и колко далеч е от тях. Сега нека разгледаме как GPS научава местоположението на сателитите; Приемникът получава два вида информация от сателита. Един от тях е "алманах данни", който отчита позициите на сателитите. Информацията от алманаха се изпраща непрекъснато и се съхранява в паметта на GPS. По този начин GPS знае орбитата на всеки сателит и изчислява правилната позиция. Когато сателитите променят позицията си, информацията в алманаха се актуализира.

Възможно е да възникнат незначителни отклонения в сателитните орбити. За да изчисли тези отклонения, контролната секция непрекъснато следи орбиталната информация на сателитите. Получените данни за грешки се доставят до главния контролен център и се коригират, преди да бъдат изпратени обратно към сателитите. Тази коригирана точна информация за местоположение се нарича Ефемеридни данни – Времева информация. Тази информация остава актуална от 4 до 6 часа. След това ефемеридната информация се кодира и изпраща към GPS приемника.

GPS приемникът, който приема информацията от алманаха и ефемеридите, постоянно определя точните позиции на сателитите.

Значението на времето

Освен да знае точните местоположения на сателитите, GPS приемникът също трябва да знае разстоянието си от сателитите. По този начин то може да изчисли своето място на земята. За това се използва проста формула.

Разстояние до спътника; То е равно на времето на пристигане на предавания сигнал, умножено по неговата скорост.

(Време на пристигане x скорост = разстояние)

В тази формула, използвана за определяне на разстоянието, вече знаем скоростта. Скоростта на радиовълната е равна на скоростта на светлината, с изключение на незначителните ефекти в атмосферата. (c = 300 000 км/сек)

След това трябва да се изчисли времевата част от формулата. Решението е в кодираните сигнали, идващи от сателитите. Изпратеният код се нарича „Псевдослучаен код“. Нарича се така, защото е много неправилен сигнал. GPS приемникът също произвежда същия код и се опитва да го съпостави с кода, идващ от сателита. Чрез сравняване на тези два кода, той открива забавянето между тях и произведението на това количество на забавяне и скоростта на светлината дава разстоянието.

Приблизителното време, необходимо на сигнал от сателит да достигне земята, е 0,06 секунди. Грешка от една хилядна от секундата ще доведе до изместване с 300 км в измерването на разстоянието. Часовникът на GPS приемника не е толкова точен, колкото часовникът на сателита. Поставянето на атомен часовник в приемника би било твърде скъпо и твърде обемисто. Следователно измерването на разстоянието до сателита се нарича „псевдо обхват“. За да се определи позицията с помощта на тази информация, се правят измервания с помощта на 4 сателита, докато грешката на часовника бъде сведена до минимум.

Геометрично изчисление

Сега знаем местоположението на сателитите и разстоянията до тях. Да приемем, че разстоянието до първия спътник е 20 000 км; Нашето местоположение може да бъде всяка точка от повърхността на сферата с диаметър 20 000 km и чийто център е спътникът. Да приемем, че сме на 21 000 км от втори спътник. В този случай втората сфера пресича първата сфера, образувайки кръг в пресечната точка. Ако добавим трети спътник на 22 000 км, получаваме 2 точки, които са общото пресичане на трите сфери.

Въпреки че са определени две възможни позиции, има големи разлики в координатите между тези две точки. За да разберете коя от тези две точки е истинската позиция, в GPS приемника трябва да се въведат приблизителни данни за надморска височина. По този начин GPS може да определи точната позиция в останалите две измерения. Но за триизмерно позициониране GPS използва четвърти сателит. Да кажем, че четвъртият спътник е на 19 000 км от нас, ако пресечем тази четвърта сфера с предишните сфери, ще имаме само една обща пресечна точка. Това определя точното местоположение в три измерения.

Технология за GPS приемник

Повечето съвременни GPS приемници имат паралелна, многоканална операционна система. Моделите с едноканални GPS приемници, които преди бяха широко разпространени, не можеха да проследяват сателитите непрекъснато в различни среди. Паралелните приемници имат от 5 до 12 приемни вериги, всяка от които проследява сателит. Следват се четирите най-силни сигнала. Паралелните приемници могат бързо да се заключват към сателити и да работят ефективно в трудни среди като високи сгради и гъсти гори.

Източници на грешка при измерване на местоположение с GPS

Гражданските GPS приемници са склонни към грешки в позицията поради няколко причини, включително:

Сателитни грешки

Тъй като времето е критичен фактор за GPS, GPS сателитите са оборудвани с атомни часовници. Но атомните часовници също не са перфектни. Много малки грешки във времето могат да доведат до значителни грешки в измерването на разстоянието.

Позициите на сателитите в космоса са началната точка на изчислението. GPS сателитите са разположени на високи орбити и не се влияят от смущенията на горната атмосфера на Земята. Те обаче могат да направят малки промени в прогнозираните си орбити. Това също елиминира позиционните грешки.

атмосфера

GPS сателитите предават информация за времето като радиосигнали, което е друг източник на грешки. Тъй като в земната атмосфера радиосигналите не винаги се разпространяват според прогнозите.

Въпреки че се приема, че радиосигналите се разпространяват със скоростта на светлината в атмосферата и че тази скорост е постоянна, скоростта на светлината е постоянна само във вакуумна среда. Радиосигналите се забавят в зависимост от средата, в която се намират.

GPS сигналите се забавят от заредени частици в йоносферата и от водни пари в тротосферата. Тъй като скоростта на светлината се приема постоянна във всички изчисления, тези закъснения водят до грешки при измерването на разстоянието до сателита.

Добрите приемници използват корекционен фактор, за да коригират грешките, които биха възникнали по време на това типично пътуване през атмосферата. Въпреки това, тъй като атмосферата ще варира на различни места и времена, не може да бъде създаден теоретичен модел на грешка.

Грешка в променлив маршрут

GPS сигналите, които в крайна сметка достигат земната повърхност, се отразяват или блокират от твърди обекти, преди да достигнат до GPS приемника. Тази форма на грешка се нарича грешка „Променлив маршрут“ (Multipath). Първо, ако сигналът, идващ към антената, идва директно, той достига по-бързо, след това отразеният сигнал достига по-късно от другия и тези сигнали се смесват един с друг, създавайки шумни резултати.

Грешка в приемника

Наземните приемници също не са перфектни. Те правят грешки не само поради смяната на собствените си часовници, но и поради вътрешни шумове.

Селективна наличност

По-лоши от естествените грешки, описани по-горе, са „умишлените грешки“, направени от Министерството на отбраната на САЩ. Основната цел на тази политика за „селективна използваемост“ е да се предотврати злонамереното използване на GPS системата от противопоставящи се сили срещу Съединените щати и техните съюзници.

Някои незначителни отклонения в GPS сателитните часовници и сателитните орбити са създадени от Министерството на отбраната на САЩ. Тези ефекти значително намаляват чувствителността на системата за гражданска употреба.

Ако искаме да начертаем позицията на фиксиран GPS приемник с активирана селективна наличност, ще видим, че нашата позиция се движи около кръг с диаметър 100 m.

Декодиращите превключватели, открити във военни приемници, показват какви неизправности са налице и колко; така че грешките могат да бъдат коригирани. Ето защо военните GPS приемници имат много по-прецизни възможности за измерване.