Принципы работы системы gps

Основу системы составляет сеть искусственных спутников Земли развернутых в около земной орбите и равномерно «покрывающих» всю земную поверхность. Орбиты спутников рассчитаны с очень высокой степенью точности, поэтому в любой момент времени известны координаты каждого спутника. Радиопередатчик каждого спутника непрерывно излучает сигналы в направлении Земли. Сигналы принимаются GPS-приемником, находящемся в некоторой точке земной поверхности.

Основной принцип, лежащий в основе всей системы GPS, прост и давно используется для навигации и ориентирования: если точно известно местоположение какого-либо объекта-ориентира и расстояние до него, то можно начертить окружность (в 3-х мерном случае - сферу), проходящую через точку координаты которой нужно определить с центром в метаположении объекта². Если провести несколько таких окружностей (сфер), соответствующих разным ориентирам, то точка их пересечения укажет местоположение точки³. В GPS роль таких ориентиров играют более двух десятков спутников, движущихся каждый по своей орбите на высоте около 17 000 км над поверхностью Земли.

Д опустим, что требуется определиться определить координаты некоторой точки на земной поверхности. Если известно, что она находимся на определенном расстоянии, скажем 21000 километров, от спутника А, то это существенно сократит область пространства, в которой ее следует искать: она должны быть где-то на воображаемой сфере с центром в спутнике A и радиусом в 21000 километров.

Е сли к тому же определено, что расстояние до другого спутника В составляет 22000 километров, то это еще больше сократит область поиска. Ведь единственная область пространства, где точка будем на расстоянии 21000 километров от спутника А и 22000 километров от спутника В, это линия пересечения двух сфер, т.е. окружность.

Если известно расстояние еще и до третьего спутника, то возможное местоположение сведется к двум точкам.

Для выбора одной из полученных точек необходимо произвести измерение расстояния до четвертого спутника, или учесть некоторые дополнительные условия. Обычно, одна из двух точек - это неправдоподобное решение. Она либо располагается слишком далеко от поверхности Земли, либо имеет неправдоподобно большую скорость движения. Вычислители приемников GPS снабжены различными средствами, автоматически выделяющими истинное местоположение из двух возможных.

В любом случае, чтобы однозначно определить местоположение необходимо знать расстояния (дальности) до четырех спутников.

Важной частью любого GPS-навигатора является радиоприемник, работающий на фиксированной частоте и постоянно "прослушивающий" сигналы, передаваемые спутниками. Каждый из спутников постоянно излучает радиосигнал, в котором содержатся данные о параметрах его орбиты, состоянии бортового оборудования и о точном времени. Причем все спутники вещают одновременно на одной и той же частоте. Для того чтобы GPS-приемник мог определить, от какого спутника исходит данная информация, бортовые передатчики посылают в составе своего сигнала стандартный идентификационный код, который сравнивается с кодами, находящимися в памяти приемника. Т.о. независимо от того, сколько и каких спутников находятся в поле зрения приемника, он всегда может без труда идентифицировать источники сигналов. Такой подход не только упрощает схему GPS-приемника, но и, несмотря на малый уровень радиосигналов, позволяет использовать в них малогабаритные, а, значит, не очень эффективные приемные антенны.

GPS-приемник определяет расстояние до каждого из спутников, измеряя время распространения сигнала от спутника до GPS-приемника, пользуясь тем свойством, что радиосигнал распространяется со скоростью света. Это метод называется безопросным и требует для точного определения расстояния синхронизации временных шкал спутника и приемника.

Спутники, находящиеся на орбите, имеют на борту очень точные и, естественно, дорогостоящие эталонные (атомные) часы. Бортовые часы всех спутников синхронизированы и привязаны к «системному времени». В GPS-приемниках, особенно бытовых, использование таких часов нерентабельно из-за их высокой стоимости. Проблема синхронизации была одной из серьезных проблем, с которыми столкнулись разработчики: неточность часов всего в одну тысячную секунды приводит к ошибке более 250 км. На практике всегда присутствует ошибка, обусловленная несовпадением шкал времени спутников и приемника. По этой причине в приемнике вычисляется искаженное значение дальности до спутника или «псевдодальность» измерения расстояния до всех спутников, с которыми работает приемник, происходит одновременно. Следовательно, для всех измерений величину несоответствия можно считать постоянной.

Рассмотрим плоскостную модель. Предположим, что часы GPS-приемника немного спешат, т.е. измеренное время прохождения радиоволн будет больше реального. Это означает, что обе рассчитанные окружности, и, следовательно, точки их пересечения будут находиться на большем расстоянии от спутников, чем на самом деле. Если же часы отстают, то точка пересечения переместится ближе к спутникам. Возьмем третий спутник. Легко видеть, что пересечение трех линий даст нам треугольник, размеры и положение которого могут меняться в зависимости от хода часов. Если же в качестве искомого местоположения взять геометрический центр треугольника, то его смещение будет достаточно мало, особенно если третий спутник расположен в противоположном от наблюдателя направлении. Более того, учитывая, что неточность часов для всех трех сигналов будет практически одинаковой, можно автоматически подобрать такую величину коррекции, которая обеспечит пересечение всех трех линий в одной искомой точке.

В случае с трехмерным пространством по аналогии получим, что для точного определения координат, необходимо производить измерения до четырех спутников.

В результате обработки этих измерений в приемнике вычисляются точные географические координаты, высота над уровнем моря и точное время.

Если приемник установлен на движущемся объекте и наряду с псевдодальностями измеряются и доплеровские сдвиги частот радиосигналов, то может быть вычислена скорость объекта.

Таким образом, для выполнения необходимых расчетов точки необходимо обеспечить постоянную видимость с нее, как минимум, четырех спутников. При этом, чем больше спутников "видит" GPS- приемник, тем точнее он может определить координаты местоположения - вплоть до максимального предела, определяемого точностью системы. Из этого, в частности, следует, что точность работы GPS-навигатора снижается, если сигналы от некоторых спутников экранируются местными предметами (рельефом местности, деревьями с плотной кроной, высокими зданиями и т.п.).

После полного развертывания системы GPS в любой точке Земли могут быть видны от 5 до 12 спутников в произвольный момент времени.

Современные GPS-приемники имеют от 5 до 12 каналов, соответственно они могут одновременно принимать сигналы от 5 до 12 спутников.