Поговорим о том, что такое GPS, как эта система появилась и как работает. Сама идея, заложенная в GPS, родилась в 1957 году в СССР, когда группа учёных под руководством В.А. Котельникова экспериментально подтвердила возможность определения параметров движения искусственного спутника Земли по результатам измерений доплеровского сдвига частоты сигнала, излучаемого этим спутником. Но, что самое главное, была установлена возможность решения обратной задачи – нахождения координат приёмника по измеренному доплеровскому сдвигу сигнала спутника.
Исходя из этого, МО США преступило к развитию программы по использованию широкополосных сигналов, модулированных псевдошумовым кодом. Суть такого подхода заключается в использовании одной частоты для всех спутников с кодовым разделением сигналов. Проще говоря каждый спутник имеет свойственные только ему дальномерные коды, что и позволяет приемнику их различать. В 1973 году программа получила название "Navstar–GPS". К 1996 году развёртывание системы было завершено и на данный момент доступно 28 активных спутников.
Сигнал GPS
Чтобы понять что такое дальномерный код и для чего он нужен, надо сперва разобраться что вообще передается со спутника. Каждый спутник излучает два фазоманипулированных сигнала. Частота первого составляет L1 = 1575,42 МГц, а второго L2 = 1227,6 МГц. Передача дальномерного С/А–кода осуществляется на частоте L1. С/А–коды (coarse/clear acquisition) доступны широкому кругу гражданских пользователей и известны для всех спутников. Соответственно каждый приемник GPS имеет набор этих кодов в памяти.
P(Y)–код (precision code), обеспечивает более точное вычисление координат, но доступ к нему предоставляется в основном военным и федеральным службам США. Этот код передается только на частоте L2.
Кодовое разделение сигналов обеспечивает системе беззапросность, это позволяет одновременно пользоваться ей неограниченному числу пользователей.
Формирование GPS сигнала происходит следующим образом: основной сигнал, имеющий частоту 10,23 МГц, подается в систему. После умножения на 154 и 120 он генерирует несущие частоты сигналов L1 и L2 соответственно. После генерации, дальномерные коды совмещаются с навигационными сообщениями через сумматоры. Навигационные сообщения состоят из данных эфемерид и данных альманаха.
Данные эфемерид - это набор параметров, несущий информацию орбит и часов, которая отправляется с центральной станции управления.
Данные альманаха используются для прогнозирования движения спутника по орбите, получения информации о том, какие спутники находятся рядом, когда приемник ищет сигналы GPS.
Система GPS состоит из трех основных сегментов: космический сегмент, пользовательский и сегмент управления. Рассмотрим подробнее каждый из них:
- космический сегмент состоит собственно из самих спутников GPS. Созвездие спутников гарантирует, что приёмник, находящийся в любой точке земного шара имеет возможность принимать сигнал в прямой видимости, по крайней мере, от четырех спутников в любое время. На орбите высотой примерно 20200 километров находится порядка 10 спутников в пределах прямой видимости;
- сегмент контроля отвечает за мониторинг состояния спутников;
- пользовательский сегмент состоит из антенн и приемников.
Определение местоположения
Разобравшись с устройством системы, поговорим о том, как GPS позволяет находить местоположение пользователя на поверхности Земли. Для этого приемник находит расстояние до нескольких спутников. Имея эти расстояния и положение спутников на орбитах в конкретный момент времени, нетрудно определить и положение приемника. Более подробно это работает так: приемник генерирует свой дальномерный код в то же самое время, что и спутник так, чтобы он в точности его дублировал. Приемник сравнивает разницу во времени между приемом соответствующей части спутникового кода с такой же частью своего кода. Зная этот сдвиг по времени и скорость распространения радиоволн, приемник получает расстояние до спутника, и по двум расстояниям может в теории определить свое точное положение. Однако для определения своего местоположения, как известно, требуется от четырех спутников. Дело в том, что нельзя убедиться в одновременности воспроизведения псевдослучайных кодов приемника и спутника. Часы спутника очень точные и корректируются по сигналам с Земли. А вот часы приемников (в особенности дешевых) этим похвастаться не могут. Кроме того, вклад в суммарную ошибку вносят и задержки распространения сигнала в атмосфере. Для исправления этой ошибки приёмники GPS используют измерение дальности до третьего спутника. Если проще, то приемнику надо решить систему уравнений, в которой присутствуют 3 неизвестные: долгота, широта и ошибки часов. Так вот данные для этих уравнений и передает каждый спутник. Вот почему для определения двухмерных координат необходимы как минимум 3 спутника, а для определения трехмерных (добавляется высота) – 4.