О технологии GPS

GPS (от англ. Global Positioning System) — глобальная система позиционирования. Проект был реализован и принадлежит военному ведомству США и первоначально задумывался только для военных целей. Основной задачей проекта является высокоточное позиционирование различных подвижных и статических объектов на местности. Основой системы являются 24 спутника NAVSTAR, работающих в единой сети, находящихся на шести разных круговых орбитах расположенных под углом 60° друг к другу, таким образом, чтобы из любой точки земной поверхности были видны от четырех до двенадцати таких спутников. На каждой орбите находится по 4 спутника, высота орбит примерно равна 20200 км, а период обращения каждого спутника вокруг земли — 12 часам.

Система не полностью автономна, ее работоспособность контролируется станциями наблюдения с Земли. Территориально станции наблюдения находятся на Гавайях (Hawaii), островах Вознесения (Ascension Island), Диего-Гарсия (Diego Garcia Naval Base) и в Колорадо-Спрингс (Colorado Springs). Вся информация записывается и передается на главную командную станцию, расположенную на военной базе Falcon в Колорадо, откуда производится корректировка орбит и навигационной информации.

Датой рождения технологии считается февраль 1978 года, когда был выведен на орбиту первый спутник, положивший начало тому, что сейчас называется GPS. В полную мощность система заработала только в декабре 1993 года.

Каждый спутник весит более 900 кг и с раскрытыми солнечными батареями имеет размер около 5 метров, мощность радиопередатчика составляет 50 ватт.

Средний срок службы каждого спутника системы приблизительно 10 лет, и по мере того, как спутник вырабатывает свой ресурс, на замену ему на орбиту выводится новый.

В основу работы всей системы заложена идея определения координат местоположения объектов на Земле, на основе расчета расстояний до группы спутников в космосе, измеренных системой, при этом спутники представляют собой точно координированные точки отсчета. Расстояние рассчитывается по обычной формуле, известной из курса математики начальной школы. Расстояние — это скорость, умноженная на время. Скорость в данном случае равна скорости распространения радиоволн — 300000 км/с, и если точно знать время, когда этот сигнал был отправлен со спутника, можно рассчитать расстояние до него. Для определения местоположения объекта в горизонтальной плоскости достаточно расчета основанного на приеме сигналов с трех спутников системы.

Для того, чтобы понять, как это происходит, нужно немного пространственного мышления. Допустим, расстояние от одного спутника известно и мы можем описать сферу заданного радиуса вокруг него. Когда становится известным расстояние до второго спутника, определяемое местоположение будет расположено где-то в круге, задаваемом пересечением двух сфер, а третий спутник определяет две точки на окружности. Остается рассчитать какая из них и есть искомое местоположение. Одна из точек всегда может быть отброшена, так как она имеет высокую скорость перемещения или находится под поверхностью Земли. Таким образом, зная расстояние до трех спутников, можно вычислить координаты определяемой точки.

Согласование времени, в котором работает передатчик спутника и времени, по которому работает приемник на земле во всей этой цепи расчетов, пожалуй, самая сложная задача, поскольку речь идет о скорости света (300000 км/с), сигнал с высоты 20 тысяч километров до земли доходит за ничтожно короткое время, равное примерно 0.06 секунды. При таких малых интервалах времени рассинхронизация шкал времени системы даже на 0.01 секунду вызовет погрешность измерения координат на величины, измеряемые тысячами километров. Эта проблема была решена путем относительной привязки времени приемников ко времени спутников.

На борту каждого спутника установлены атомные часы. Это исключительно точный прибор. Причем на каждом спутнике установлены не одни такие часы, а несколько, это сделано для того, чтобы абсолютно точно гарантировать корректность отсчета времени.

Важный момент как GPS-приемник "понимает", где находится спутник, по отношению к Земле. В сигнале передаваемом спутником содержится информация о параметрах орбиты на которой он находится и информация обо всех других спутниках системы. GPS-приемник, получая этот сигнал, запоминает переданную спутником информацию для дальнейшего использования. Эта же информация используется для установки или коррекции часов приемника.

Сам приемник представляет собой микро-компьютер, способный не только определять место, но и вычислять скорость движения, его направление, рассчитывать время необходимое для достижения конкретного пункта назначения, время восхода и заката, и другую подобную информацию.

 

Еще по теме:

О технологии GPS 

Новости

Выложена информация о GPS-приемнике в корпусе на DIN-рейку для шкафов АСКУЭ на базе СЭМ-2 и СЭМ-3   21.01.2014 

Завершена разработка блока GPS-приемника для синхронизации и установки точного времени в СЭМ-2.01.  13.11.2006