Глобальная система позиционирования (GPS) — это спутниковая навигационная система, обеспечивающая возможность определения местоположения и времени в любой точке земного шара. Она была разработана Министерством обороны США и стала доступна для гражданского использования в 1980-х годах. Основу GPS составляет созвездие спутников на орбите Земли и наземная инфраструктура для управления и контроля.
Созвездие (так называется группировка спутников) GPS состоит из 24 спутников, распределенных по шести орбитальным плоскостям с наклоном около 55 градусов к экватору. Спутники находятся на средней околоземной орбите на высоте примерно 20,200 км и совершают полный оборот вокруг Земли за 12 часов. Эта конфигурация обеспечивает, что в любой момент времени и в любой точке Земли можно наблюдать как минимум четыре спутника, что необходимо для точного трехмерного позиционирования.
Технические характеристики спутников
1. Передатчики и Сигналы: Спутники GPS передают сигналы на двух основных частотах: L1 (1575.42 МГц) и L2 (1227.60 МГц). Современные спутники также используют частоту L5 (1176.45 МГц). Эти сигналы содержат кодовую информацию и навигационные сообщения, которые включают в себя данные об орбите спутника (эфемериды), состояние спутника и информацию о времени.
2. Кодирование Сигналов: Основные коды, используемые в GPS, это C/A-код и P(Y)-код (прецизионный). C/A-код применяется для гражданского использования и передается на частоте L1. P(Y)-код предназначен для военного использования и передается на обоих частотах L1 и L2, что обеспечивает повышенную точность и защиту от помех.
3. Атомные Часы: Каждый спутник оборудован несколькими высокоточными атомными часами на основе цезия и рубидия. Эти часы обеспечивают точное время, необходимое для определения расстояния от спутника до приемника. Так как расстояние определяется, как половина пути, которое преодолел сигнал за время разницы между временем отправлением сигнала и временем его получения.
4. Энергоснабжение: Спутники оснащены солнечными панелями, которые обеспечивают энергоснабжение. В случае теневых участков орбиты, спутники используют никель-водородные аккумуляторы.
Наземная Инфраструктура
Наземная сегмент системы GPS включает в себя сеть мониторинговых станций, контрольные станции и антенны для аплинка.
1. Мониторинговые Станции: Расположенные по всему миру, эти станции непрерывно отслеживают сигналы GPS и собирают данные о состоянии спутников и орбитальных параметрах.
2. Главная Контрольная Станция: Расположена на авиабазе Шривер в Колорадо, США. Эта станция обрабатывает данные, полученные от мониторинговых станций, корректирует орбитальные параметры и время на спутниках и загружает обновления на спутники через антенны для аплинка.
3. Антенны для Аплинка: Используются для передачи данных и команд на спутники. Они обеспечивают связь между спутниками и контрольными станциями.
Принцип Работы
Основной принцип работы GPS заключается в триангуляции. Приемник GPS на земле принимает сигналы как минимум от четырех спутников. Каждое сообщение включает в себя точное время отправки и положение спутника в момент передачи. Приемник измеряет время, которое сигнал затратил на прохождение от спутника до приемника, и, умножив это время на скорость света, вычисляет расстояние до каждого спутника. Используя данные о расстояниях до нескольких спутников, приемник может определить свое точное местоположение. В случае наличия только трех спутников можно определить двухмерное положение (широта и долгота), но для определения трехмерного положения (включая высоту) необходимо как минимум четыре спутника.
Таким образом, система GPS — это сложная технологическая инфраструктура, включающая в себя спутники на орбите, высокоточные атомные часы, сложные методы кодирования сигналов и наземные станции для управления и контроля. Современные технологии продолжают развиваться, что приводит к улучшению точности и надежности GPS, делая его незаменимым инструментом в навигации, геодезии, синхронизации времени и многих других областях