Знаймо

Додати знання

приховати рекламу

Цей текст може містити помилки.

GPS



План:


Введення

Супутник системи GPS на орбіті

GPS ( англ. Global Positioning System - Глобальна система позиціонування, читається Джи Пі Ес) - супутникова система навігації, яка забезпечує вимірювання відстані, часу і визначальна местоположеніe. Дозволяє в будь-якому місці Землі (не включаючи приполярні області), майже за любої погоди, а також в космічному просторі поблизу планети визначити місцеположення і швидкість об'єктів. Система розроблена, реалізована і експлуатується Міністерством оборони США.

Основний принцип використання системи - визначення місця розташування шляхом вимірювання відстаней до об'єкту від точок з відомими координатами - супутників. Відстань обчислюється за часом затримки розповсюдження сигналу від посилки його супутником до прийому антеною GPS-приймача. Тобто, для визначення тривимірних координат GPS-приймачу потрібно знати відстань до трьох супутників і час GPS системи. Таким чином, для визначення координат і висоти приймача використовуються сигнали як мінімум з чотирьох [1] супутників.


1. Історія

Ідея створення супутникової навігації народилася ще в 50-і роки. В той момент, коли СРСР був запущений перший штучний супутник Землі, американські вчені на чолі з Річардом Кершнер спостерігали сигнал, що виходить від радянського супутника і виявили, що завдяки ефекту Доплера частота сигналу збільшується при наближенні супутника і зменшується при його віддаленні. Суть відкриття полягала в тому, що якщо точно знати свої координати на Землі, то стає можливим виміряти положення і швидкість супутника, і навпаки, точно знаючи положення супутника, можна визначити власну швидкість і координати.

Реалізована ця ідея була через 20 років. У 1973 році була ініційована програма DNSS, пізніше перейменована в Navstar-GPS, а, потім, в GPS. Перший тестовий супутник виведений на орбіту 14 липня 1974 США, а останній з усіх 24 супутників, необхідних для повного покриття земної поверхні, був виведений на орбіту в 1993 р., таким чином, GPS встала на озброєння. Стало можливим використовувати GPS для точного наведення ракет на нерухомі, а потім і на рухомі об'єкти в повітрі і на землі.

Спочатку GPS - глобальна система позиціонування, розроблялася як чисто військовий проект. Але після того, як в 1983 вторгся в повітряний простір Радянського Союзу літак Корейських Авіаліній з 269 пасажирами на борту був збитий через дезорієнтації екіпажу в просторі, президент США Рональд Рейган з метою не допустити в майбутньому подібні трагедії дозволив часткове використання системи навігації для цивільних цілей. [2] Щоб уникнути застосування системи для військових потреб точність була зменшена спеціальним алгоритмом. [ уточнити ]

Потім з'явилася інформація про те, що деякі компанії розшифрували алгоритм зменшення точності на частоті L1 і з успіхом компенсують цю складову помилки. У 2000 р. це загрубленіе точності скасував своїм указом президент США Білл Клінтон. [3]

Супутники
Блок Період
запусків
Запуски супутників Працюють
зараз
Запу-
щено
Чи не
успішно
Гото-
вится
Заплані-
ровано
I 1978-1985 10 1 0 0 0
II 1989-1990 9 0 0 0 0
IIA 1990-1997 19 0 0 0 11
IIR 1997-2004 12 1 0 0 12
IIR-M 2005-2009 8 0 0 0 7
IIF 2010-2011 2 0 10 0 2
IIIA 2014 -? 0 0 0 12 0
Всього 59 2 10 12 31
(Останнє оновлення даних: 9 жовтня 2011)

Детальніше див en: list of GPS satellite launches


2. Технічна реалізація

2.1. Космічні супутники

Незапущених супутник, що експонується в музеї. Вид з боку антен.

Основою системи є навігаційні супутники, що рухаються навколо Землі з частотою 2 обороту на добу і рухаючись по 6-ти круговим орбітальним траєкторіях (по 4 супутника в кожній), висотою приблизно 20180 км. Супутники випромінюють відкриті для використання сигнали в діапазонах: L1 = 1575,42 МГц і L2 = 1227,60 МГц (починаючи з Блоку IIR-M), а моделі IIF будуть випромінювати також на L5 = 1176,45 МГц. Навігаційна інформація може бути прийнята антеною (зазвичай в умовах прямої видимості супутників) і оброблена за допомогою GPS-приймача.

Сигнал з кодом стандартної точності (C / A код - модуляція BPSK (1)), який передається в діапазоні L1 (і сигнал L2C (модуляція BPSK) в діапазоні L2 починаючи з апаратів IIR-M), поширюється без обмежень на використання. Спочатку використовується на L1 штучне загрубленіе сигналу (режим селективного доступу - SA) з травня 2000 року відключений. З 2007 року США остаточно відмовилися від методики штучного загрубления. Планується з запуском апаратів Блок III введення нового сигналу L1C (модуляція BOC (1,1)) в діапазоні L1. Він буде мати зворотну сумісність, поліпшену можливість простеження шляху і більшою мірою сумісний з сигналами Galileo L1.

Для військових користувачів додатково доступні сигнали в діапазонах L1/L2, модульовані перешкодостійким кріптоустойчивость P (Y) кодом (модуляція BPSK (10)). Починаючи з апаратів IIR-M введений в експлуатацію новий М-код (використовується модуляція BOC (15,10)). Використання М-коду дозволяє забезпечити функціонування системи в рамках концепції Navwar (навігаційна війна). М-код передається на існуючих частотах L1 і L2. Даний сигнал має підвищену завадостійкістю, і його досить для визначення точних координат (у випадку з P-кодом було необхідне отримання та коду C / A). Ще однією особливістю M-коду стане можливість його передачі для конкретної області діаметром у кілька сотень кілометрів, де потужність сигналу буде вище на 20 децибел. Звичайний сигнал М вже доступний в супутниках IIR-M, а вузьконаправлений буде доступний тільки за допомогою супутників GPS-III.

C запуском супутника блоку IIF введена нова частота L5 (1176.45 МГц). Цей сигнал також називають safety of life (охорона життя людини). Сигнал на частоті L5 могутніше на 3 децибела, ніж цивільний сигнал, і має смугу пропускання в 10 разів ширше. Сигнал зможуть використовувати в критичних ситуаціях, пов'язаних із загрозою для життя людини. Повноцінно сигнал буде використовуватися після 2014 року.

Тип супутника GPS-II GPS-IIA GPS-IIR GPS-IIRM GPS-IIF
Маса, кг 885 1500 2000 2000 2170
Термін життя 7.5 7.5 10 10 15
Бортове час Cs Cs Rb Rb Rb + Cs
Межспутнікових
зв'язок
- + + + +
Автономна
робота, днів
14 180 180 180 > 60
Антирадіаційна
захист
- - + + +
Антена - - Покращена Покращена Покращена
Можливість настройки
на орбіті і потужність
бортового передавача
+ + + + + + + + + + +
Навігаційний
сигнал
L1: C / A + P
L2: P
L1: C / A + P
L2: P
L1: C / A + P
L2: P
L1: C / A + P + M
L2: C / A + P + M
L1: C / A + P + M
L2: C / A + P + M
L5: C

24 супутники забезпечують 100% працездатність системи в будь-якій точці земної кулі, але не завжди можуть забезпечити впевнений прийом і хороший розрахунок позиції. Тому, для збільшення точності позиціонування і резерву на випадок збоїв, загальне число супутників на орбіті підтримується в більшій кількості (31 апарат в березні 2010 року).


2.2. Наземні станції контролю космічного сегмента

Стеження за орбітальної угрупованням здійснюється з головною контрольної станції, розташованої на авіабазі ВПС США Schriever, штат Колорадо, США і за допомогою 10 станцій спостереження, з них три станції здатні посилати на супутники коректувальні дані у вигляді радіосигналів з ​​частотою 2000-4000 МГц. Супутники останнього покоління розподіляють отримані дані серед інших супутників.

3. Застосування GPS

Приймач сигналу GPS

Незважаючи на те, що спочатку проект GPS був направлений на військові цілі, сьогодні GPS все частіше використовуються в цивільних цілях. GPS-приймачі продають в багатьох магазинах, що торгують електронікою, їх вбудовують в мобільні телефони, смартфони, КПК і онбордери. Споживачам також пропонуються різні пристрої та програмні продукти, що дозволяють бачити своє місцезнаходження на електронній карті; мають можливість прокладати маршрути з урахуванням дорожніх знаків, дозволених поворотів і навіть пробок; шукати на карті конкретні будинки та вулиці, пам'ятки, кафе, лікарні, автозаправки та інші об'єкти інфраструктури.

  • Геодезія : за допомогою GPS визначаються точні координати точок та межі земельних ділянок
  • Картографія : GPS використовується в цивільній і військовій картографії
  • Навігація : із застосуванням GPS здійснюється як морська, так і дорожня навігація
  • Супутниковий моніторинг транспорту : за допомогою GPS ведеться моніторинг за положенням, швидкістю автомобілів, контроль за їх рухом
  • Стільниковий зв'язок : перші мобільні телефони з GPS з'явилися в 90-х роках. В деяких країнах, наприклад США це використовується для оперативного визначення місцезнаходження людини, що дзвонить 911. У Росії в 2010 році розпочато реалізацію аналогічного проекту - Ера-ГЛОНАСС.
  • Тектоніка, Тектоніка плит : за допомогою GPS ведуться спостереження рухів і коливань плит [4]
  • Активний відпочинок : є різні ігри, де застосовується GPS, наприклад, Геокешінга та ін
  • Геотегінгу : інформація, наприклад фотографії "прив'язуються" до координат завдяки вбудованим або зовнішнім GPS-приймачів

Висловлювалися пропозиції про інтеграцію систем Iridium і GPS. [5]


4. Точність

Типова точність сучасних GPS-приймачів в горизонтальній площині складає приблизно 6-8 метрів при хорошій видимості супутників і використанні алгоритмів корекції. На території США, Канади, Японії, КНР, Європейського Союзу та Індії є станції WAAS, EGNOS, MSAS і т. д. передають поправки для диференціального режиму, що дозволяє знизити похибку до 1-2 метрів на території цих країн. При використанні більш складних диференціальних режимів, точність визначення координат можна довести до 10 см. На жаль, точність будь СНС сильно залежить від відкритості простору, від висоти використовуваних супутників над горизонтом.

Найближчим часом всі апарати нинішнього стандарту GPS будуть замінені на більш нову версію GPS IIF, яка має ряд переваг, у тому числі вони більш стійкі до перешкод.

Але головне, що GPS IIF забезпечує набагато більш високу точність визначення координат. Якщо нинішні супутники забезпечують похибка 6 метрів, то нові супутники будуть здатні визначати місце розташування, як очікується, з точністю не менше 60-90 см. Якщо така точність буде не тільки для військових, а й для цивільних застосувань, то це приємна новина для власників GPS -навігаторів.

На жовтень 2011 року на орбіту виведені перші два супутники з нової версії: GPS IIF SV-1 запущений в 2010 році і GPS IIF-2 запущений 16 липня 2011.

Всього первісний контракт передбачав запуск 33 супутників GPS нового покоління, але потім через технічні проблеми початок запуску перенесли з 2006 року на 2010 рік, а кількість супутників зменшили з 33 до 12. Всі вони будуть виведені на орбіту в найближчим часом.

Підвищена точність супутників GPS нового покоління стала можливою завдяки використанню більш точних атомних годин. Оскільки супутники переміщаються зі швидкістю близько 14 000 км / год (3.874км / с) ( перша космічна швидкість на висоті 20 200 км), підвищення точності часу навіть в шостому знаку є критично важливим для тріангуляції.


5. Недоліки

Загальним недоліком використання будь радіонавігаційної системи є те, що при певних умовах сигнал може не доходити до приймача, або приходити зі значними спотвореннями або затримками. Наприклад, практично неможливо визначити своє точне місцезнаходження в глибині квартири всередині залізобетонного будинку, в підвалі або в тунелі навіть професійними геодезичними приймачами. Так як робоча частота GPS лежить в дециметровому діапазоні радіохвиль, рівень прийому сигналу від супутників може серйозно погіршитися під щільною листям дерев або через дуже великий хмарності. Нормальному прийому сигналів GPS можуть пошкодити перешкоди від багатьох наземних радіоджерел, а також від магнітних бур.

Невисока нахил орбіт GPS (приблизно 55) серйозно погіршує точність в приполярних районах Землі, так як супутники GPS невисоко піднімаються над горизонтом.

Суттєвою особливістю GPS вважається повна залежність умов отримання сигналу від міністерства оборони США.

Тепер [ коли? ] Міністерство оборони США вирішило почати повне оновлення системи GPS. Воно було заплановане досить давно, але почати реалізовувати цей проект вдалося лише зараз. В ході поновлення старі супутники замінять на нові, які розроблені і вироблені компаніями Lockheed Martin і Boeing. Стверджується , Що вони зможуть забезпечувати точність позиціонування з похибкою 0,5 метра.

Реалізація даної програми займе деякий [ яке? ] час. У Міністерстві оборони США стверджують [джерело не вказано 345 днів], що повністю завершити оновлення системи вдасться тільки через 10 років. Кількість супутників змінено не буде, їх як і раніше буде 30: 24 працюючих і 6 резервних.


6. Хронологія

Запуск супутника GPS-IIR-14 ракетою Delta 7925. 25.09.2005, Мис Канаверал, США
1973 Рішення про розробку супутникової навігаційної системи
1974-1979 Випробування системи
1977 Прийом сигналу від наземної станції, що симулює супутник системи
1978-1985 Запуск одинадцяти супутників першої групи (Block I)
1979 Скорочення фінансування програми. Рішення про запуск 18 супутників замість запланованих 24.
1980 У зв'язку з рішенням згорнути програму використання супутників Vela системи відстеження ядерних вибухів, ці функції було вирішено покласти на супутники GPS. Старт перших супутників, оснащених сенсорами реєстрації ядерних вибухів.
1980-1982 Подальше скорочення фінансування програми
1983 Після загибелі літака компанії Korean Airline, збитого над територією СРСР, прийнято рішення про надання сигналу цивільним службам.
1986 Загибель космічного човника Space Shuttle "Challenger" призупинила розвиток програми, так як останній планувався для виведення на орбіту другої групи супутників. В результаті основним транспортним засобом була обрана ракета-носій "Дельта"
1988 Рішення про розгортання орбітального угрупування в 24 супутника. 18 супутників не в змозі забезпечити безперебійного функціонування системи.
1989 Активація супутників другої групи
1990-1991 Тимчасове відключення SA ( англ. selective availability - Штучно створюваної для неавторизованих користувачів округлення позиціонування до 100 метрів) у зв'язку з війною в Перській затоці і браком військових моделей приймачів. Включення SA 1 червня 1991.
08.12.1993 Повідомлення про первинну готовності системи ( англ. Initial Operational Capability ). В цьому ж році прийнято остаточне рішення про надання сигналу для безкоштовного користування цивільним службам і приватним особам
1994 Супутникове угрупування укомплектована
17.07.1995 Повна готовність системи ( англ. Full Operational Capability )
01.05.2000 Відключення SA для цивільних користувачів, таким чином точність визначення виросла з 100 до 20 метрів
26.06.2004 Підписання спільної заяви щодо забезпечення взаємодоповнюваності і сумісності Galileo і GPS 1
Грудень 2006 Російсько-американські переговори по співпраці в області забезпечення взаємодоповнюваності космічних навігаційних систем ГЛОНАСС і GPS.

Примітки

  1. Оскільки різниця між годинами супутника і приймача може внести в рішення величезну помилку, один з космічних апаратів використовується як "базовий", з нього отримують час, інші використовуються для визначення координат
  2. United States Updates Global Positioning System Technology - www.america.gov/st/washfile-english/2006/February/20060203125928lcnirellep0.5061609.html
  3. GPS-гонка: Росії не вистачає супутників - www.cnews.ru/reviews/index.shtml?2003/06/04/144948, cnews.ru, 4 червня 2003 р
  4. GPS Time Series - sideshow.jpl.nasa.gov / mbh / series.html
  5. Супутникова суперсистема створюється армією США "Військове огляд - topwar.ru/8525-sputnikovaya-supersistema-sozdaetsya-armiey-ssha.html

Література

  • Шебшаевіч В.С., Дмитрієв П.П., Іванцев Н.В. та ін; під ред. Шебшаевіча В.С. Мережеві супутникові радіонавігаційні системи - 2-е изд., Перераб. і доп .. - М .: Радіо і зв'язок, 1993. - 408 с. - ISBN 5-256-00174-4.
  • Козловський Є. Мистецтво позиціонування - www.vokrugsveta.ru/vs/article/2941/ / / Навколо світу. - М .: 2006. - № 12 (2795). - С. 204-280.

Цей текст може містити помилки.

Схожі роботи | скачати

Схожі роботи:
A-GPS
S-GPS
GPS-приймач
GPS-трекер
GPS-логгер
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru