GPS системы

NAVSTAR GPS (англ. NAVigation Satellites providing Time And Range; Global Positioning System — навигационные спутники, обеспечивающие измерение времени и расстояния ; глобальная система позиционирования) — спутниковая система навигации, проще — GPS. Позволяет в любом месте Земного шара, почти при любой погоде, а также в космическом пространстве вблизи планеты определить местоположение и скорость объектов. Система разработана, реализована и эксплуатируется Министерством обороны США.
Точность современных GPS-приёмников в горизонтальной плоскости составляет примерно 1-2 метра при хорошей видимости спутников. При использовании систем дифференциальных поправок WAAS точность GPS может быть существенно увеличена.
Основа системы — навигационные спутники, движущиеся по шести круговым орбитальным траекториям, на высоте примерно 20180 км — Medium Earth orbit (MEO). Спутники излучают открытые для использования сигналы в диапазонах:

  • L1=1575,42 МГц
  • L2=1227,60 МГц (начиная с Блока IIR-M)
  • L5=1176,45 МГц (начиная с Блока IIF)

Принцип работы.

На спутниках установлены высокоточные атомные часы. С ними синхронизированы генератор цифрового кода и радиопередатчик спутника. В эфир излучаются коды включающие в себя последовательность цифр и информацию о спутнике (номер, параметр орбиты и т.д.) и всей спутниковой группировке. Через время, определяемое скоростью распространения радиоволн и расстоянием до спутника, эти сигналы принимает навигационный приёмник, который определяет время задержки полученной информации. Однако применяемые в приёмниках кварцевые часы имеют достаточно большую погрешность, по сравнению с атомными часами спутника. Эта погрешность компенсируется одновременным приёмом сигнала от нескольких спутников. Например с более отдалённого «Спутника 1″ приёмник получает цифру «2» а с более ближнего «Спутника 2″ цифру 5. Разница расстояний от приёмника до 1-го и 2-го спутников определяется разницей 5-2=3. Таким образом, даже при большой погрешности часов приёмника можно с большой точностью определить разность расстояний до спутников при одновременном приёме сигналов. Если разница расстояний равна «0», то наблюдатель находится равноудалённо от двух спутников, если же отлична от «0» — то в любой точке некоей двумерной поверхности. При добавлении третьего спутника получим ещё одну поверхность. Таким образом навигационный приёмник решает систему из 3-х независимых уравнений. Таким уравнением может быть уравнение эллипсоида, аппроксимирующего земную поверхность. Для абсолютно точного вычисления координат нужен четвёртый спутник, который в паре из любых трёх спутников добавляет четвёртое уравнение, описывающее поверхность в пространстве. Так получается расчёт реального местоположения приёмника в пространстве, а также определяется высота наблюдателя над поверхностью Земли.

Виды передаваемых сигналов.

Сигнал стандартной точности (C/A код — модуляция BPSK(1)), передаваемый в диапазоне L1 (и сигнал L2C (модуляция BPSK) в диапазоне L2 начиная с аппаратов IIR-M), распространяется без ограничений на использование. Первоначально используемое на L1 искусственное загрубление сигнала (режим селективного доступа — SA) с мая 2000 года отключён. С 2007 года США окончательно отказались от методики искусственного загрубления. С запуском аппаратов Блок III вводится новый сигнал L1C (модуляция BOC(1,1)) в диапазоне L1. Он имеет обратную совместимость, улучшенную возможность прослеживания пути и в большей степени совместим с сигналами европейской системы Galileo L1.

Для военных пользователей дополнительно доступны сигналы в диапазонах L1/L2, модулированные помехоустойчивым  P(Y) криптокодом (модуляция BPSK(10)). Начиная с аппаратов IIR-M введён в эксплуатацию новый М-код (используется модуляция BOC(15,10)). Использование М-кода позволяет обеспечить функционирование системы в рамках концепции Navwar (навигационная война). М-код передается на существующих частотах L1 и L2. Данный сигнал обладает повышенной помехоустойчивостью, и его достаточно для определения точных координат (в случае с P-кодом было необходимо получение и кода C/A). Еще одной особенностью M-кода станет возможность его передачи для конкретной области диаметром в несколько сотен километров, где мощность сигнала будет выше на 20 децибел. Обычный сигнал М уже доступен в спутниках IIR-M, а узконаправленный будет доступен только при помощи спутников GPS-III.

C запуском спутника блока IIF введена новая частота L5 (1176.45 МГц). Этот сигнал также называют safety of life (охрана жизни человека). Сигнал на частоте L5 мощнее на 3 децибела, чем гражданский сигнал, и имеет полосу пропускания в 10 раз шире. Сигнал смогут использовать в критических ситуациях, связанных с угрозой для жизни человека. Полноценно сигнал будет использоваться после 2014 года.

Недостатки системы

Общим недостатком использования любой радионавигационной системы является то, что при определённых условиях сигнал может не доходить до приёмника, или приходить со значительными искажениями или задержками. Например, практически невозможно определить своё точное местонахождение в глубине квартиры внутри железобетонного здания, в подвале или в тоннеле. Так как рабочая частота GPS лежит в дециметровом диапазоне радиоволн, уровень приёма сигнала от спутников может серьёзно ухудшиться под плотной листвой деревьев или из-за очень большой облачности. Нормальному приёму сигналов GPS могут повредить помехи от многих наземных радиоисточников, а также от магнитных бурь.

Невысокое наклонение орбит GPS серьёзно ухудшает точность в приполярных районах Земли, так как спутники GPS невысоко поднимаются над горизонтом.

Существенной особенностью GPS считается полная зависимость условий получения сигнала от министерства обороны США. Так, например, во время боевых действий в Ираке, гражданский сектор GPS был отключён. Теперь Министерство обороны США решило начать полное обновление системы GPS. Оно было запланировано достаточно давно, но начать реализовывать этот проект удалось только сейчас. В ходе обновления старые спутники заменят на новые, разработанные Lockheed Martin и Boeing. Они смогут обеспечивать точность позиционирования с погрешностью 0,5 метра. В Министерстве обороны США утверждают, что полностью завершить обновление системы удастся только через 10 лет. При этом количество спутников изменено не будет: их по-прежнему будет 30 — 24 работающих и 6 резервных.