Як працює GPS: принцип і особливості роботи, виконувані функції, характеристики

У наш час навігатор – це не тільки інструмент мандрівників і дослідників, за допомогою якого можна побудувати курс у відкритому морі або глухій тайзі, але і звичне багатьом побутове пристрій, що допомагає автомобілісту або пішоходу знайти потрібний пункт призначення або прив’язати до координат якісь дані, наприклад фотографії. Часто ми користуємося цими пристроями, не замислюючись про те, чому і як вони працюють. У даній статті ми спробуємо розібратися з цим і відповісти на часто виникаючі питання: що таке GPS, звідки вона взялася, для чого вона потрібна, на чому заснований принцип її дії та чи працює GPS без GPS, без стільникового зв’язку та інтернету.

Історія створення

Система GPS (читається як Джі Пі Ес) була створена на замовлення Міністерства оборони США для військових цілей.

Ідея використання штучних супутників для навігації виникла в середині минулого століття після запуску в СРСР першого космічного супутника. Американські вчені виявили факт, який згодом ляже в основу принципу роботи GPS: знаючи координати спостерігача на Землі, можна розрахувати координати супутника, і навпаки – якщо відомо відстань до супутника, то можна дізнатися координати об’єкта на Землі.

У 1973 році в США була почата програма DNSS, перейменована в кінці того ж року в NavStar-GPS. Її завданням було досягнення за допомогою штучних супутників Землі більш точної навігації для армії США.

У 1974 році за цією програмою на орбіту був випущений перший супутник, а останній з 24 супутників, які потрібні для покриття всієї планети, був запущений в 1993 році.

Мирне використання GPS

Коли в 1983 році корейський пасажирський літак був збитий після вторгнення в повітряний простір Радянського Союзу через проблеми з навігацією, президент Рональд Рейган прийняв рішення дозволити використання GPS цивільним службам усього світу.

Для запобігання використанню цієї технології у військових цілях точність роботи GPS, доступною для загального використання, за допомогою навмисного помилки спочатку штучно зменшувалася до 100 метрів, але 2000 року це обмеження було прибрано. А спеціалізоване військове застосування цієї системи супутникової навігації армією США відбувається через зашифрований P (Y) код, що дає більш точні результати – до міліметрів.

Система Глобального Позиціонування

Зараз завдяки GPS можна вирахувати своє місцезнаходження в будь-якій точці поверхні земної кулі (крім полярних областей) і в навколоземному космічному просторі. Часто люди, які користуються цією системою в побуті, сприймають її як складову частину свого пристрою ( “В телефоні працює GPS-навігатор, тому що телефон високотехнологічний”). Однак насправді це значно масштабніша річ: по суті, для того, щоб дізнатися про своє місце розташування, нам необхідно зв’язатися з космосом (хоча і не дуже далеким).

GPS – Система Глобального Позиціонування – містить в собі три розділи: космічний, наземний і призначений для користувача.

космічний розділ

Зараз космічний розділ GPS становить 32 супутника (один з них – резервний). Вага кожного супутника – близько тонни, термін їх служби – приблизно 10 років (однак за фактом досі працює супутник, виведений на орбіту ще в 1993 році). Супутники обертаються в різних площинах по шести орбітах на висоті близько 20 тисяч кілометрів над Землею. Орбіти побудовані так, що в кожен момент часу в будь-якому місці Землі видно кілька супутників, а якщо якийсь з них вийде з ладу, то інші змінять свої орбіти, щоб заповнити порожній простір. За зоряна доба супутник робить два оберти навколо Землі, пролітаючи над одним і тим же місцем в певний час.

Кожен супутник має свій ідентифікаційний номер, який він посилає приймачів на Землю. Також на них розміщені атомний годинник (по чотири на кожному), точність яких – близько наносекунди.

наземний розділ

На Землі знаходяться кілька станцій спостереження, що спостерігають за супутниками GPS і передають інформацію про них на головну контрольну станцію, розташовану в Колорадо на авіабазі BBC США. Там вираховуються поточні і майбутні орбіти і координати і щодня передаються на супутники, а вони потім передають ці дані GPS-приймачів. У пам’яті приймача зберігається інформація про всі супутниках, навіть недоступних в даний момент, завдяки чому він знає, які супутники йому слід використовувати.

Призначений для користувача розділ

Призначений для користувача розділ – це приймачі, які відстежують всі видимі в даному місці супутники і приймають їх радіосигнали. Зараз їх вбудовують не тільки в призначені для навігації спеціалізовані прилади, але і в смартфони, планшети, наручний годинник і собачі нашийники.

Те, як працює GPS-навігатор, багато в чому залежить від синхронізації годин на супутнику і в приймачі. На відміну від знаходяться на супутниках високоточних атомних годин (вартістю 100 тисяч доларів), годинник в звичайних приймачах сигналу набагато менш точні, що призводить до помилок в роботі системи. Тому для визначення місця розташування необхідно використовувати сигнали якомога більшої кількості супутників, завдяки чому похибка коригується.

Принцип роботи

Щоб зрозуміти принцип роботи GPS, уявіть собі таку ситуацію: ви заблукали в лісі і кілька ваших супутників з різних сторін видали кричать вам, щоб допомогти вам зорієнтуватися, де ви знаходитесь. За гучності їхніх голосів ви можете визначити відстань від кожного з них до вас. Якщо при цьому вони будуть кричати не просто “Ау!”, А повідомляти власні координати, то ви зможете визначити своє місце розташування відносно цих точок простору. Приблизно на цьому ж і грунтується принцип роботи системи GPS, хоча в ній відстань від джерела сигналу до приймача визначається не гучністю, а також неможливо визначити напрямок сигналу.

Система GPS так працює: супутники безперервно шлють радіосигнали, тимчасова затримка яких показує час руху сигналу від супутника до приймача GPS. На підставі цього часу і відомої швидкості (швидкість світла постійна) розраховується відстань між супутником і приймачем. Щоб точно визначити розташування приймача, необхідно отримати кілька сигналів з різних супутників (як мінімум чотирьох) – точка, яка нас цікавить, буде розташовуватися на перетині кіл, центри яких – це координати супутників (які відомі приймачу, тому що містяться в сигналі), а радіуси – це відстані до них. Після цього приймач вираховує широту, довготу і висоту свого місця розташування, яку для зручності прив’язує до карт, що зберігаються в його пам’яті.

Таким чином, для роботи приладу GPS потрібна антена, яка станція доступна з супутника; система, яка зробить необхідні обчислення; і найчастіше ще карта, на яку проектується дана точка в просторі. Відповідаючи на поширений питання “Як працює GPS-навігатор без інтернету?”, Можна відповісти, що він працює так само, як і з інтернетом, тому що для GPS інтернет (а також стільниковий зв’язок) не потрібен – він потрібен тільки для карт, які можна завантажити заздалегідь.

точність GPS

Недоліком GPS (як і будь-який інший подібної системи) є те, що не завжди у приймача є можливість отримати сигнал. Якість сигналу погіршується, коли між супутником і приймачем знаходяться густі хмари або листя, коли йому заважають перешкоди від інших радіоджерел; сигнал не проходить через залізобетонні конструкції; він може відбиватися від різних поверхонь і губитися. Крім того, формула розрахунку відстані до супутника передбачає, що швидкість світла постійна, проте постійної вона є тільки в вакуумі, а в дійсності сигнал повинен проходити через тропосферу і іоносферу, які зменшують його швидкість. Все це призводить до неточностей в результатах роботи GPS, однак багато помилок вдається виправити, використовуючи додаткові алгоритми і уточнення.

Зараз визначити місце розташування за допомогою GPS можна з точністю від 1 до 15 метрів. Точність залежить від декількох факторів: від наявності або відсутності заважають сигналу перешкод; від кількості, напрямки і висоти супутників, які бачить приймач в даний момент; від того, чи є поблизу станції, які передають поправки для сигналів.

Використання GPS

В даний час GPS використовується в багатьох сферах життя. Принцип роботи GPS-навігатора однаковий для всіх пристроїв, проте може відрізнятися його точність. GPS-приймачі діляться на два класи: професійні та побутові. Професійні приймачі, для яких украй важлива висока точність, відрізняються підтримуваними режимами роботи, частотами, різними системами навігації, кількістю одночасно прийнятих сигналів, запасом електроживлення, алгоритмами коригування неточностей і високою ціною. Подібні приймачі використовують військові, а також геодезисти і картографи.

Побутові приймачі GPS бувають спеціалізованими (портативними) і вбудованими в інший пристрій (наприклад, в мобільний телефон або ноутбук). У спеціалізованих приймачів GPS (це різноманітні навігатори, туристичні, автомобільні, авіаційні, морські) на відміну від вбудованих є свій власний процесор.

Ще один різновид – це GPS-трекер. Цей пристрій використовується для супутникового стеження за певними об’єктами (наприклад, для контролю за людьми, тваринами, цінним вантажем або автомобілем). GPS-трекер працює схожим на навігатор чином, однак зазвичай він не має екрану, і отримані ним координати передаються через радіозв’язок або GSM-передавач в центр контролю.

Варіантом GPS-трекера є GPS-логгер – пристрій, який може працювати в якості звичайного приймача GPS, але, крім цього, може запам’ятовувати дані про пройдений шлях. Від GPS-трекера він відрізняється тим, що ці дані неможливо передати в режимі реального часу – їх необхідно завантажувати в комп’ютер, підключившись до нього.

альтернативи GPS

З огляду на, що GPS разом з усіма своїми супутниками є власністю США і в ситуації конфлікту може бути заборонена до використання в інших державах, деякі країни займаються розробкою власних систем супутникової навігації. Кожна з них має свої переваги, і більшість сучасних приймачів вміють поєднувати різні системи, що істотно підвищує їх точність.

“Глонасс”

Друга повністю функціонуюча система глобальної супутникової навігації, крім GPS, це російська система “Глонасс”. Принцип її роботи такий самий, як і у GPS. Основна відмінність цієї системи полягає в тому, що у її супутників немає резонансу з рухом Землі, тому вони більш стабільні і не потребують періодичної корекції. Їх орбіта так влаштована, що цю систему можна використовувати і в полярних регіонах, де GPS працює погано.

Недоліком російської системи є невеликий термін експлуатації супутників – сім років. Офіційно програма була розпочата в 1976 році, перший супутник за програмою “Глонасс” СРСР запустив в 1982 році, в 1991 році супутників було 12 і в 1993 році система почала експлуатуватися. У 1995 році були запущені всі заплановані 24 супутника, проте до 2001 року ця кількість з-за їх невеликого терміну служби і проблем з фінансуванням скоротилося до 6. У нульові роки програма поновилася і до 2017 року на орбіту вивели 27 супутників.

Інші системи супутникової навігації

У 2016 році в Євросоюзі офіційно введена в експлуатацію система Galileo (хоча поки в режимі початкової продуктивності). Зараз вона складається з 26 супутників (планується 30).

У Китаї з 2012 року працює власна навігаційна система – BeiDou, на даний момент на орбіті перебуває 21 супутник (планується 35). Зараз ця система працює в якості регіональної, покриваючи територію Китаю, але до 2020 року планує вийти на глобальний рівень.

Також власні системи супутникової навігації розробляє Франція (DORIS), Індія (IRNSS), Японія (QZSS).

Ссылка на основную публикацию