Содержание
 |
| GPS: Автор: http://tlada.ru/priora |
Global Positioning System
GPS это спутниковая система навигации, обеспечивающая измерение расстояния, времени и определяющая местоположениe во всемирной системе координат WGS 84. GPS позволяет в любом месте Земли (исключая приполярные области), почти при любой погоде, а также в околоземном космическом пространстве определять местоположение и скорость объектов. GPS это система, состоящая из работающих в единой сети 24 спутников, находящихся на 6 орбитах высотой около 17 000 км над поверхностью Земли. Спутники постоянно движутся со скоростью около 3 км/сек, совершая два полных оборота вокруг планеты менее, чем за 24 часа.
- Первый GPS-спутник был запущен в феврале 1978 г.
- Каждый GPS-спутник весит более 900 кг и имеет размер около 5 м (с раскрытыми солнечными батареями).
- Мощность радиопередатчика – не более 50 ватт.
- Каждый спутник передает сигналы на 3-х частотах. Гражданские GPS-приемники используют частоту “L1”, равную 1575.42 МГц.
- Каждый спутник GPS расчитан на работу примерно в течение 10 лет. Новые спутники изготавливаются и запускаются на орбиту по мере необходимости.
Какую же информацию передает GPS-спутник? Его сигнал содержит так называемые "псевдослучайный код" (PRN — pseudo-random code), эфимерис (ephimeris) и альманах (almanach). Псевдослучайный код служит для идентификации передающего спутника. Все они пронумерованы от 1 до 32, и этот номер показывается на экране GPS-приемника во время его работы. Почему же количество PRN-номеров больше, чем число спутников (24)? Это облегчает обслуживание GPS-сети: новый спутник может быть запущен, проверен и введен в эксплуатацию еще до того, как старый выйдет из строя. Такому спутнику просто будет присвоен новый номер (от 1 до 32).
Данные эфимериса, постоянно передаваемые каждым спутником, содержат такую важную информацию, как состояние спутника (рабочее или нерабочее), текущая дата и время. Без этого Ваш GPS-приемник не знал бы, в частности, какой сегодня день и сколько сейчас времени. Помимо этого, как мы увидим далее, эта часть сигнала крайне важна для определения местоположения. Данные альманаха говорят о том, где в течение дня должны находиться все GPS-спутники. Каждый из них передает альманах, содержащий параметры своей орбиты, а также всех других спутников системы.
По мимо этого еще существует A-GPS. A-GPS- это технология, ускоряющая «холодный старт» GPS-приёмника. Ускорение происходит за счет предоставления необходимой информации через альтернативные каналы связи. Часто используется в сотовых телефонах, содержащих приемник GPS. Система дебютировала 1 октября 2001 г. в США по сети службы спасения "911".
Функции A-GPS
Для алгоритмов A-GPS необходим канал связи с удаленным сервером, который предоставляет информацию для приемника. Для мобильных устройств этим каналом чаще всего является сотовая связь. Для передачи информации устройство должно находиться в зоне действия базовой станции (БС) оператора сотовой связи и иметь доступ в Интернет.
Преимущества и недостатки A-GPS
A-GPS имеет несколько важных отличий от обычного GPS, которыми объясняются все преимущества этой системы. Главное преимущество A-GPS: быстрое определение координат сразу после включения. Другое преимущество A-GPS состоит в повышении чувствительности приёма слабых сигналов в «мёртвых зонах» (тоннелях, низинах, впадинах, на узких городских улицах, в помещениях, в лесу с плотным лиственным покровом). A-GPS не функционирует вне зоны покрытия сотовой сети.
Персональные инструменты
GPS (англ. Global Positioning System — система глобального позиционирования) — спутниковая система навигации, обеспечивающая измерение расстояния, времени и определяющая местоположение во всемирной системе координат WGS 84. Позволяет в любом месте Земли (исключая приполярные области), почти при любой погоде, а также в околоземном космическом пространстве определять местоположение и скорость объектов. Система разработана, реализована и эксплуатируется Министерством обороны США, при этом в настоящее время доступна для использования для гражданских целей — нужен только навигатор или другой аппарат (например, смартфон) с GPS-приёмником.
Содержание
История
Перед разработкой GPS — навигационные системы наземного базирования, такие как LORAN (Long Range Navigation) от U.S. и Decca Navigator System от U.K., являются основными технологиями навигации. Обе эти технологии основаны на радиоволнах, а диапазоны ограничены несколькими сотнями километров. В начале 1960-х годов три правительственные организации Соединенных Штатов, а именно Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА), Министерство обороны и Департамент транспорта вместе с несколькими другими организациями, начали разработку спутниковой навигационной системы с целью обеспечения высокой точности, независимую от погоды работу и глобальный охват. Эта программа развивалась в навигационной спутниковой синхронизации и ранжировании глобальной системы позиционирования (Глобальная система позиционирования NAVSTAR). Эта система была впервые разработана как военная система для удовлетворения потребностей вооруженных сил Соединенных Штатов. Вооруженные силы США использовали NAVSTAR для навигации, а также системы таргетинга системы оружия и системы управления ракетами.
Возможность врагов, использующих эту навигационную систему против Соединенных Штатов, является основной причиной, по которой гражданские лица не получили доступа к ней. Первый спутник NAVSTAR был запущен в 1978 году, и к 1994 году на орбите было установлено полное созвездие из 24 спутников и, таким образом, стало полностью работоспособным.В 1996 году правительство США признало важность GPS для гражданских лиц и объявило систему двойного использования, обеспечив доступ как к военным, так и к гражданским лицам. [Источник 1]
Cтруктура GPS
Основной метод спутниковой навигационной системы Global Positioning System (GPS) — это измерение расстояний между приемником и несколькими спутниками, которые одновременно наблюдаются. Положения этих спутников уже известны и, следовательно, путем измерения расстояния между четырьмя из этих спутников и приемником могут быть установлены три координаты положения приемника GPS, то есть широта, долгота и высота. Поскольку изменение положения приемника можно определить очень точно, можно также определить скорость приемника. [Источник 2]
Сегменты GPS
Структура этого комплекса Глобальная система позиционирования разделена на три основных сегмента: Космический сегмент, Контрольный сегмент и Пользовательский сегмент. В этом сегменте управления и космическом сегменте разрабатываются, эксплуатируются и поддерживаются ВВС США. На следующем рисунке показаны три сегмента системы GPS. 
Космический сегмент
Космический сегмент GPS состоит из созвездия из 24 спутников, которые вращаются вокруг Земли примерно на круговых орбитах. Спутники размещены в шести орбитальных плоскостях с каждой орбитальной плоскостью, состоящей из четырех спутников. Наклон плоскостей орбит и расположение спутников устроены таким образом, что минимум шесть спутников всегда находятся в прямой видимости из любого места на Земле. Приступая к расположению созвездия в космосе, спутники GPS помещаются на Среднеземную орбиту на высоте около 20 000 км. Чтобы увеличить избыточность и повысить точность, общее количество спутников GPS в созвездии увеличено до 32, из которых 31 спутник работает.
Контрольный сегмент
Контрольный сегмент GPS состоит из сети всемирных станций мониторинга и контроля и отслеживания. Основная задача контрольного сегмента — отслеживать положение спутников GPS и поддерживать их на правильных орбитах с помощью команд маневрирования помощи. Кроме того, система управления также определяет и поддерживает целостность бортовой системы, атмосферные условия, данные от атомных часов и другие параметры. Сегмент управления GPS снова разделен на четыре подсистемы: Новая контрольная станция (NMCS), Альтернативная станция управления (AMCS), четыре наземные антенны (GA) и всемирная сеть станций мониторинга (MS). 
Центральным узлом управления спутниковым созвездием GPS является Станция главного управления (MSC), он расположен на авиабазе Шрайвер, штат Колорадо, и работает 24 × 7. Основными обязанностями Главной контрольной станции являются: Обслуживание спутников, Мониторинг полезной нагрузки, синхронизация атомных часов, Маневрирование спутников, Управление эффективностью сигнала GPS, загрузка данных навигационных сообщений, обнаружение сбоев сигнализации GPS и реагирование на эти сбои. Существует несколько станций мониторинга (MS), но шесть из них важны. Они расположены на Гавайях, Колорадо-Спрингс, Остров Вознесения, Диего-Гарсия, Кваджалейн и мыс Канаверал. Эти мониторинговые станции непрерывно отслеживают положение спутников, и данные отправляются на станцию главного управления для дальнейшего анализа. Для передачи данных на спутники есть четыре наземных антенны (GA), которые расположены как остров Вознесения, мыса Канаверал, Диего Гарсия и Кваджалейн. Эти антенны используются для восходящей передачи данных на спутники, и данные могут быть такими, как коррекция часов, команды телеметрии и навигационные сообщения.
Пользовательский сегмент
Пользовательский сегмент системы GPS состоит из конечных пользователей технологии, таких как гражданские и военные для навигации, точного или стандартного позиционирования и времени. Как правило, для доступа к услугам GPS пользователь должен быть оснащен GPS-приемниками, такими как автономные GPS-модули, мобильные телефоны, которые оснащены GPS и специализированными GPS-консолями. 
С помощью этих GPS-приемников гражданские пользователи могут знать стандартную позицию, точное время и скорость, в то время как военные используют их для точного позиционирования, руководства по ракете, навигации.
Принцип работы GPS
С помощью GPS-приемников мы можем рассчитать положение объекта в любом месте Земли либо в двумерном, либо в трехмерном пространстве. Для этого приемники GPS используют математический метод Trilateration, метод, с помощью которого положение объекта можно определить, измеряя расстояние между объектом и несколькими другими объектами с уже известными позициями. Таким образом, в случае GPS-приемников, чтобы узнать местоположение приемника, модуль приемника должен знать следующие две вещи:
- Расположение спутников в пространстве
- Расстояние между спутниками и GPS-приемником
Определение местоположения спутников
Чтобы определить местоположение спутников, GPS-приемники используют два типа данных, передаваемых спутниками GPS: данные Альманаха и данные эфемерид. Спутники GPS непрерывно передают свое приблизительное положение. Эти данные называются данными Альманаха, которые периодически обновляются, когда спутник перемещается по орбите. Эти данные принимаются приемником GPS и сохраняются в его памяти. С помощью данных Альманаха GPS-приемник может определять орбиты спутников, а также, где предполагается спутник. Условия в пространстве не могут быть предсказаны, и есть огромный шанс, что спутники могут отклониться от своего фактического пути. Станция главного управления (MCS) вместе со специализированными Станциями мониторинга (MS) отслеживает путь спутников наряду с другой информацией, такой как высота, скорость, орбита и местоположение. Если в любом из параметров есть какая-либо ошибка, скорректированные данные отправляются на спутники, чтобы они оставались в точном положении. Эти орбитальные данные, отправленные MCS на спутник, называются Ephemeris Data. Спутник, получив эти данные, исправляет свое положение и также отправляет эти данные в приемник GPS. С помощью как данных, таких как Альманак и Эфемерис, GPS-приемник может постоянно знать точное местоположение спутников. Для измерения расстояния между GPS-приемником и спутниками время играет важную роль. Формула для расчета расстояния спутника от GPS-приемника приведена ниже: Расстояние = скорость света х время пути спутникового сигнала Здесь время пути спутникового сигнала — это время, принимаемое спутниковым сигналом (сигнал в виде радиоволн , Отправленный спутником в GPS-приемник), чтобы добраться до приемника. Скорость света является постоянным значением и равна C = 3 · 108 м / с. Чтобы рассчитать время, сначала нам нужно понять сигнал, отправленный спутником. Транскодированный сигнал, передаваемый спутником, называется псевдослучайным шумом (PRN). Поскольку спутник генерирует этот код и начинает передачу, GPS-приемник также начинает генерировать один и тот же код и пытается их синхронизировать. Затем GPS-приемник вычисляет величину временной задержки, которую должен был получить генерируемый кодом приемника, прежде чем синхронизироваться с переданным спутником кодом. 
Как только местоположение спутников и их расстояние от GPS-приемника известны, то определение местоположения GPS-приемника в 2D пространстве или 3D-пространстве.
Типы GPS-приемников
GPS используется как гражданскими лицами, так и военными. Следовательно, типы GPS-приемника могут быть классифицированы в гражданских GPS-приемниках и военных GPS-приемниках. Но стандартный способ классификации основан на типе кода, который получатель может обнаружить. В принципе, существуют два типа кодов, которые GPS-спутник передает: Кодекс грубой регистрации (C / A Code) и P-Code. Приемные устройства GPS-приемника могут обнаруживать только код C / A. Этот код не является точным, и поэтому гражданская система позиционирования называется службой стандартного позиционирования (SPS). С другой стороны, P-Code используется военными и является очень точным кодом. Система позиционирования, используемая военными, называется Precise Positioning Service (PPS). GPS-приемники могут быть классифицированы на основе способности декодировать эти сигналы. Другой способ классификации коммерчески доступных приемников GPS основан на возможности приема сигналов. Используя этот метод, GPS-приемники можно разделить на:
- Одночастотные приемники кода
- Одночастотные несущие — Сглаженные кодовые приемники
- Одночастотный код и несущие ресиверы
- Двухчастотные приемники
Применение GPS
Несмотря на то, что изначально проект GPS был направлен на военные цели, сегодня GPS широко используются в гражданских целях. GPS-приёмники продают во многих магазинах, торгующих электроникой, их встраивают в мобильные телефоны, смартфоны, наручные электронные часы, КПК и онбордеры. Потребителям также предлагаются различные устройства и программные продукты, позволяющие видеть своё местонахождение на электронной карте; имеющие возможность прокладывать маршруты с учётом дорожных знаков, разрешённых поворотов и даже пробок; искать на карте конкретные дома и улицы, достопримечательности, кафе, больницы, автозаправки и прочие объекты инфраструктуры.
- Геодезия: с помощью GPS определяются точные координаты точек и границы земельных участков.
- Картография: GPS используется в гражданской и военной картографии.
- Навигация: с применением GPS осуществляется как морская, так и дорожная навигация.
- Спутниковый мониторинг транспорта: с помощью GPS ведётся мониторинг за положением, скоростью автомобилей, контроль за их движением.
- Сотовая связь: первые мобильные телефоны с GPS появились в 90-х годах. В некоторых странах, например США, это используется для оперативного определения местонахождения человека, звонящего 911. В России в 2010 году начата реализация аналогичного проекта — Эра-глонасс.
- Тектоника, Тектоника плит: с помощью GPS ведутся наблюдения движений и колебаний плит.
- Активный отдых: есть разные игры, где применяется GPS, например, геокэшинг и др.
- Геотегинг: информация, например фотографии, «привязываются» к координатам благодаря встроенным или внешним GPS-приёмникам. [Источник 4]
Приложения GPS стали неотъемлемой частью глобальной инфраструктуры, аналогичной Интернету. GPS является ключевым элементом в разработке широкого спектра приложений, распространяющихся по различным аспектам современной жизни. Увеличение крупномасштабного производства и миниатюризации компонентов привело к снижению стоимости GPS-приемников. Ниже приводится небольшой список приложений, в которых GPS играет важную роль. Современное сельское хозяйство усилило производство с помощью GPS. Фермеры используют технологию GPS вместе с современными электронными устройствами, чтобы получить точную информацию о полевой области, средней урожайности, расходе топлива, пройденном расстоянии и т. Д. В области автомобилей автоматизированные управляемые транспортные средства чаще всего используются в промышленных или потребительских приложениях. GPS позволяет этим транспортным средствам находиться в навигации и позиционировании. Гражданские лица используют GPS-приемники для целей навигации. Приемник GPS может быть выделенным модулем или встроенным модулем в мобильных телефонах и наручных часах. Они очень полезны в походах, дорожных поездках, вождении и т. Д. Дополнительные функции включают точное время и скорость автомобиля. Аварийные службы, такие как пожар и скорая помощь, получают выгоду от точного позиционирования места бедствия с помощью GPS и могут своевременно реагировать. Военные используют высокоточные GPS-приемники для навигации, отслеживания целей, системы управления ракетами.