GPS (Global Positioning System): что такое спутниковая навигация?

GPS (Global Positioning System): что такое спутниковая навигация?

Портативной радиоприёмной системой получения сигналов орбитальных спутников обеспечивается спутниковая навигация. Главное предназначение технологии — определение местоположения, скорости и времени движения объекта. Технология GPS (Global Positioning System) считается более точной системой по сравнению с другими формами навигации. Поскольку технология основана на радиосигналах, охватывающих все области планеты Земля, любому человеку становится доступен сервис GPS, независимо от местонахождения.

Инфраструктурное построение космической армады

Наиболее известной спутниковой системой GPS выступает «Navstar». Инфраструктура образована 24 активными спутниками (включая резерв). Круглосуточно космические аппараты облетают Землю – один раз за 12 часов на орбитальных плоскостях под углом 55º к экватору. Любая точка планеты всегда доступна для сканирования, как минимум, шестёрке спутников «Navstar». Между тем, вполне достаточно принимать сигналы трёх-четырёх спутников для точного (+/- несколько метров) определения местоположения.

Портативный GPS приёмник
Портативный GPS приёмник – удобное мобильное средство контроля местоположения и перемещения, которое удачно подходит путешественникам, охотникам, рыболовам

Изначально (1973 год) спутниковая система GPS рассчитывалась для нужд военного ведомства США. Долговечность спутников ограничивалась продолжительностью не более 7,5 лет. Последнее поколение космических аппаратов GPS отличается вдвое большим сроком долговечности.

В общей сложности на орбиту выводились около 60 спутников «Navstar» тремя разными поколениями, несколькими отдельными группами – блоками. Многие из «старичков» уже не функционируют. На текущий момент последний запуск «Navstar» (спутник третьего поколения GPSIII SV01) произведён в декабре 2018 года.

Система GPS содержит трех основных компонента (сегмента):

  1. Сегмент в пространстве.
  2. Сегмент на Земле.
  3. Сегмент пользователя.

Две дюжины существующих космических спутников образуют «космический сегмент» GPS. Сложная по исполнению существует также наземная сеть управления антеннами, мониторами, контрольными станциями («контрольный сегмент»). Этот «контрольный сегмент» сосредоточен на авиабазе Шривер в Колорадо (резервная база на Ванденберг в Калифорнии).

Помимо космического и контрольного сегментов, другой важной частью спутниковой навигации является «пользовательский сегмент» — электронный приемник миниатюрного исполнения. Такое устройство мобильного типа легко помещается в карман одежды, допускает простое размещение в салоне автомобиля и т.д.

Что такое триангуляция и трилатерация?

Поиск позиции благодаря приёму спутниковых сигналов — это высокотехнологичная версия относительно простой системы навигации, получившей название — триангуляция. Техника триангуляции предполагает вычисление с использованием трёх ориентиров позиции одной точки.

Триангуляция работает в условиях прямой видимости. Требуется некоторое количество ориентиров, компас и карта. Соответственно, более изощрённой методикой видится вариант с радиосигналами, радарами и, тем более, с космическими спутниками.

Триангуляция- классическая схема расчёта
Классическая схема расчёта местоположения методом триангуляция – достаточно сложная процедура, если учитывать производство вычислений исключительно вручную  

По сути, GPS навигационные «ориентиры» — это космические спутники. Поскольку аппараты находятся на расстоянии около 20 тыс. км, далеко за пределами земной атмосферы, найти местоположение одного человека видится процессом достаточно сложным.

Поэтому используется ещё один способ – трилатерация, помогающий определить положение геодезических объектов через построение на местности своеобразной системы смежных треугольников, с последующим вычислением длин сторон этих треугольников.

Как работает технология GPS?

Технологический функционал спутниковой навигации в целом однообразен. Как уже отмечалось, в процессе задействованы три части:

  1. Сеть спутников.
  2. Станция управления Земли.
  3. Приёмное устройство пользователя.

Каждым из рабочих спутников GPS постоянно излучаются радиоволны в сторону Земли. Приемник пользователя воспринимает сигналы от трёх-четырёх разных спутников и в таких условиях приёма способен точно определить (вычислить) местоположение (включая параметр уровня моря).

Практическая работа навигационной системы GPS
Классическая схема работы GPS при условии участия в процессе вычисления местоположения объекта не менее трёх-четырёх космических аппаратов

Положение спутников, как правило, известно, как и скорость прохождения радиосигналов (скорость света). Каждый сигнал содержит:

  • информацию о спутнике, от которого поступил на приёмник,
  • отметку времени выхода сигнала от спутника.

Отмечая время приёма каждого сигнала, получателю несложно определить время, прошедшее с момента начального приёма. Так определяется продвижение владельца GPS приёмника. Точному сканированию продвижения достаточно трёх-четырёх сигналов разных спутников.

Военные и гражданские GPS – в чём разница?

Изначально спутниковая система GPS задумывалась как военное изобретение, предоставляющее военным силам США существенное преимущество перед другими странами. Однако изобретатели системы понимали и существенную пользу сервиса для гражданского населения. К тому же, технология спутниковой навигации появилась в других странах, например в России. Российская система ГЛОНАСС ничем не уступает американской системе GPS.

Рабочий спутник российской навигационной системы ГЛОНАСС
Один из рабочих спутников (модель К-2) российской группировки «ГЛОНАСС», которая быстро составила серьёзную конкуренцию американской GPS, как военного назначения, так и гражданского применения

Единственная проблема гражданского применения заключалась в существующей возможности перехвата сигналов, предназначенных для военных целей, что явно снижает военное преимущество. По этой причине разработчики GPS создали два разных вида системы:

  1. Высокоточная армейская GPS (служба точного позиционирования PPS).
  2. Стандартный гражданский сервис позиционирования (SPS).

Приёмники PPS способны определять местоположение с точностью до 22 м, тогда как приёмники SPS, намеренно заниженные по чувствительности (примерно в пять раз), дают точность с разбросом до 100 м.

Появление спутниковой навигации в других странах свело не нет такую стратегию. Поэтому США в 2000 году сняли ограничения на точность для гражданских систем GPS. Современные гражданские приёмники SPS теперь определяют местоположение с точностью до 13-22 метров. Однако фиксируется масса различных ошибок, вызванных атмосферными явлениями и разными препятствиями, блокирующими линию обзора спутников.

Какие используются спутниковые сигналы GPS?

Спутники «Navstar» постоянно транслируют два разных вида GPS, PPS и SPS, на двух разных радиочастотах (несущих волнах):

  1. L1 (1575,42 МГц).
  2. L2 (1227,6 МГц).

В первом случае транслируется гражданский сигнал кода SPS (C / A) относительно короткими импульсами около 1000 раз в секунду. Такое своего рода сообщение навигационных данных, включает дату и время, детали спутниковой орбиты и другие важные сведения.

Рабочий спутник GPS группировки "Navstar"
Космический аппарат из серии разработок «Navstar» — в частности, технологичная модель 2RM, по технико-эксплуатационным параметрам фактически дублирующая российский спутник модели К-2

Трансляция L2 содержит военный код PPS (прецизионный P-код) длинный по импульсу и точный. Трансляция зашифрована формированием так называемого «Y-кода». Поэтому только авторизованным пользователям открыт доступ.

Армейские GPS-приемники военного класса подбирают две частоты с последующим сравнением, чтобы таким способом скорректировать влияние ионосферы. Гражданские приемники выбирают только одну частоту, для коррекции влияния ионосферы используются математические модели расчёта.

Перспективы развития сервиса спутниковой навигации

Пока что главенствующими системами спутниковой навигации остаются американская GPS и российская ГЛОНАСС. Инженерное сообщество Европы медленно, но верно строит (как обещается) более точную систему, включающую 30 спутников. Проект получил название – «Galileo». Ввод в действие европейского варианта ожидается в 2020 году.

Китайские специалисты также разрабатывают глобальный навигационный сервис «Compass». Предпочтительным общим термином всемирных спутниковых проектов обозначен термин «GNSS» (Global Navigation Satellite Systems). Помимо четырёх крупных глобальных структур, существуют также несколько относительно мелких региональных конкурентов, например, индийская структура «IRNSS» и китайская структура «BeiDou».