Спутниковая система GPS

Трудно представить современную жизнь без спутниковых навигационных систем. При пилотировании самолетов или прокладке курса кораблей, при поиске ближайшего кафе пользуются возможностью определить свои координаты на местности. И самая популярная среди таких систем – это GPS.

Разберемся, что она собой представляет и как работает.

Основные характеристики системы GPS

GPS в себя включает три главных элемента:

1. Орбитальная группировка спутников.
2. Наземные станции.
3. Приемники сигнала («навигаторы»).

Принцип работы состоит в следующем:

• GPS спутник излучает сигнал;
• приемник его фиксирует, сравнивая с данными от других аппаратов, видимых с конкретной точки;
• определяется разность моментов приема от двух и более спутников;
• зная скорость света (и радиосигнала), аппаратура вычисляет расстояние между приемником и спутниками;
• учитывая форму Земли и орбиты спутников GPS, можно определить местоположение приемника.

Справка. Идея спутниковой навигации пришла в голову одному из ученых США, в 50-е годы XX века отслеживавших полеты советских спутников и наблюдавших доплеровский эффект – изменение частоты сигнала для приближающегося и удаляющегося объекта.

Изначально система разрабатывалась для военных целей, однако сегодня она (как и ее российский аналог GLONASS или европейский GALILEO) обеспечивает пользователям следующие возможности:

1. Определение координат с точностью до 20 м (в идеальных случаях, когда нет помех – до 0,2 м).
2. Навигация и построение маршрута на местности.
3. Синхронизация часов с высочайшей точностью (вплоть до того, что приходится использовать даже в бытовых приборах «секунду координации», потому что Земля замедляет вращение).

На заметку. ГЛОНАСС работает по тем же принципам, что и GPS. Из-за этого новые навигационные устройства используют оба варианта, получая сигнал от обеих группировок спутников. Это повышает надежность и точность определения координат.

Космические спутники

Теперь посмотрим, за счет чего именно обеспечивается работа системы.

Этапы развертывания

Спутниковая группировка GPS прошла следующие этапы формирования:

1. Программа «Timation». Была инициирована военным флотом США в 1964 году. О глобальной общедоступной навигационной системе речь не шла: ВМС хотели лишь облегчить жизнь военным штурманам, прокладывающим курс кораблей. Навигационные возможности не были доступны даже сухопутным силам и авиации.
2. Программа «DNSS», позднее переименованная в «NavStar». Начата в 1974 году как доступная для армии, флота и ВВС Соединенных Штатов. В декабре 1974 года система получила название «GPS». Поскольку одновременно СССР запустил проект «ГЛОНАСС», развитие системы было быстрым – чтобы успеть опередить противника в Холодной войне.
3. Спутниковая навигация ориентируется и на гражданских пользователей. Этап начался в 1983 году после того, как сбившийся с курса во время полета южнокорейский пассажирский авиалайнер был уничтожен ПВО СССР. Президент США Р. Рейган официально объявил о том, что разработанная для армии и флота навигационная система (ранее рассчитанная в первую очередь для наведения ракет с ядерными боеголовками) будет доступна каждому желающему, чтобы избежать повторения катастрофы.
4. Фаза первоначальной работоспособности (IOC) (1993 г.). Спутниковая система GPS заработала в полном объеме, и армия получила возможность ориентироваться по карте с помощью данных, которые предоставляли спутники.
5. Фаза полной работоспособности (FOC). Стартовала в июле 1995 года, когда появилась возможность использовать весь радионавигационный функционал спутниковой группировки. Предполагалось, что точность определения координат составит 400 м. В реальности даже на этом этапе ошибка не превышала 40 м, и военные, обладавшие приемниками, смогли впервые точно узнать, где они могут находиться.
6. Отменено намеренное снижение точности позиционирования (2000 г.). Ранее аппаратура специально включала алгоритмы, снижающие минимальную точность определения координат. Билл Клинтон указом отменил это требование.

На заметку. Количество спутников GPS постоянно меняется, поэтому если вас интересуют данные о том, что сегодня представляет собой система – необходимо отслеживать текущую информацию. Узнать о GPS сколько спутников на орбите можно из новостей.

Типы аппаратов

За время работы «созвездия» сменилось несколько типов спутников. Сейчас на орбите летают аппараты следующих моделей:

• Block IIA.
• Block IIR.
• Block IIF. Эти спутники отправляются в космос, чтобы предоставлять данные наземным устройствам.

На заметку. Для уверенной работы системы требуется 24 аппарата. В реальности у GPS существует «запас прочности» и на орбите находятся 32 спутника разных типов.

Орбиты

Высота орбиты спутников GPS – 20200 км. Наклонение составляет 52°. Для сравнения: у спутников ГЛОНАСС высота 19 000 км, наклонение 65°.

Надо отметить, что высота спутников GPS и другие параметры их орбит менялись со временем. Ученые вели постоянный мониторинг за состоянием и эффективностью работы системы. В результате первоначальная высота в 925 тыс. км была увеличена. Также изменилась и частота передачи от спутников для того, чтобы не было проблемы для пользователя, который ориентируется на любом типе транспорта.

Радиочастоты

Каждый спутник ведет передачу на двух несущих частотах:

1. L1 – на основной частоте 1575,42 МГц.
2. L2 – на 1227,60 МГц.

Это центральные частоты, зная которые, настройка позволит определить онлайн точные координаты приемника на поверхности Земли. Аппараты, сколько бы их ни было, работают на одной частоте, а передаваемая ими информация различается лишь псевдослучайными кодами.

На заметку. С 2014 г. начала использоваться новая частота L5 в диапазоне 1 176,45 МГц: имеет повышенную мощность (на 3 дБ мощнее стандартных сигналов) и предназначена исключительно для служб спасения, которые с ее помощью могут точнее определить центр катастрофы, количество выживших после нее и составлять для себя базу данных о случившемся.

Передаваемая информация

Каждый спутник передает на Землю:

• данные о несущей частоте;
• сигналы времени;
• коды;
• навигационные данные.

Услуги позиционирования GPS

Доступ к позиционированию GPS сегодня может иметь каждый владелец iPad, мобильных устройств с операционной системой Android и другой аналогичной техники. При этом пользователям доступно два варианта позиционирования.

Стандартное

Предназначено в первую очередь для гражданских пользователей, принимающих С/А-коды на частоте L1. В этом случае владельцу приемного устройства недоступна корректировка данных о расстоянии до спутника с учетом особенностей прохождения сигнала. При стандартном позиционировании используются не реальные данные, а модель ионосферы, которая не вполне отвечает истинной ситуации.

Ранее Служба стандартного позиционирования намеренно вводила искажения в сигнал, доступный гражданским пользователям из других стран. С 2000 года зашумление отменено, однако по решению Правительства США может быть вновь введено (в первую очередь в случае военного конфликта).

До 2000 года точность стандартного позиционирования составляла около 100 м. После отмены намеренных искажений сигнала оно улучшилось примерно до 15–20 м (в зависимости от условий наблюдения спутников и состояния атмосферы).

Точное

Служба точного позиционирования требует доступа не только к открытому коду С/А, но и к зашифрованному P, а также приема обеих частот. Такими системами обычно пользуются военные и федеральные структуры США.

Служба обеспечивает точность позиционирования по горизонтали в пределах 2–5 м, в идеальных условиях наблюдения и с использованием наземных базовых станций – до 10 см.

Наземный комплекс управления

Для точной работы системы используются станции наземного комплекса управления (НКУ):

1. Главная станция (ГС), расположенная на авиабазе Фалкон (США).
2. Контрольные станции (КС).
3. Станции ввода данных.

Объекты НКУ равномерно расположены по земному шару. Их задача – контроль за работой системы и обеспечение пользователя эфемеридами, точными данными о параметрах орбиты спутников. Также НКУ осуществляет коррекцию времени, поскольку для вычисления координат требуется точность GPS вплоть до наносекунд.

Спутниковая навигационная система ранее была доступна только военным, имеющим сверхчувствительные и точные приемники сигнала. Сегодня ей может пользоваться каждый желающий, у кого есть мобильное устройство с блоком приема. Достаточно знать, как работает GPS, а также скачать специальную программу для Андроид или другой мобильной ОС – и можно определять собственные координаты в реальном времени.