Basic conception of GPS

Общий принцип работы

Приемник GPS вычисляет свои позиции, точно измеряя время распространения сигналов, посылаемых со спутников GPS высоко над Землей. Каждый спутник постоянно передает сообщения, которые включают в себя:

• время, когда сообщение было передано;
• положение спутника на момент передачи сообщения.

Приемник использует сообщения, которые он получает, чтобы определить время прохождения каждого сообщения и рассчитывает расстояние до каждого спутника с учетом скорости света. Каждое из этих расстояний и положения спутников задает определенные сферы в пространстве. Если расстояния и расположения спутников правильные, то приемник находится в точке пересечения этих сфер. Измеренные расстояния и местоположения спутников используются для вычисления местоположения приемника с помощью навигационных уравнений. Это местоположение потом отображается на дисплее с картой или в виде широты и долготы. Также возможен вывод высоты над условным уровнем моря. Многие приемники GPS также показывают вычисленные производные параметры, такие как направление и скорость.

Наиболее часто необходима информация с четырех или более спутников для получения точного результата. При этом четыре поверхности сферы обычно не пересекаются. В связи с этим мы можем с уверенностью сказать, что когда мы решаем уравнения навигации, чтобы найти пересечение, это решение дает нам положение приемника наряду с точным временем (необходимость четвертого уравнения), тем самым устраняя необходимость для очень дорогих высокоточных часов на стороне приемника. Полученное точное время как правило используется только для отображения на экране или вовсе не используется во многих приложениях GPS, которые используют только местоположение. Однако можно использовать этот очень дешевый способ получения высокоточного времени для решения ряда задач. С помощью этих данных возможна синхронизация светофоров на дорогах, синхронизация времени в базовых станциях сотовой связи и многое другое.

Несмотря на то, что необходимо четыре спутника для нормальной работы, в особых случаях может применятся меньшее количество. Если одна переменная уже известна (как правило время), приемник может определить свое положение с помощью только трех спутников. Либо, например, морское или воздушное судно обладает точно известной высотой. Некоторые GPS приемники могут использовать дополнительные предположения, такие как повторное использование последней известной высоты, инерциальную навигацию, в том числе и информации с бортового компьютера автомобиля, чтобы дать (возможно, худшее по качеству) положение, когда видно менее четырех спутников.

Структура системы

В настоящее время система GPS состоит из трех основных сегментов. Это космический сегмент (SS), управляющий сегмент (CS) и пользовательский сегмент. ВВС США разрабатывает, поддерживает и управляет космическим и управляющим сегментами. GPS спутники передают сигналы из космоса и каждый приемник GPS использует эти сигналы для расчета его трехмерного местоположения (широта, долгота и высота над уровнем моря).

Космический сегмент состоит из 24-32 спутников на средней околоземной орбите, а также включает в себя адаптеры ускорителей, необходимые для их запуска на орбиту. Сегмент управления состоит из главной станции управления, альтернативных главных станций управления, и распределенных наземных антенн и станций мониторинга. Пользовательский сегмент состоит из сотен тысяч американских и союзных военных приемников защищенной службы точного позиционирования GPS, а также десятков миллионов гражданских, коммерческих и научных пользовательских стандартный устройств позиционирования.

Космический сегмент

Космический сегмент (SS) состоит из орбитальных спутников GPS, или космических аппаратов (КА) в терминологии GPS. Система GPS первоначально насчитывала 24 спутника, по восемь в трех круговых орбитах, но это было впоследствии изменено на шесть орбитальных плоскостей с четырьмя спутниками в каждой плоскости. Орбиты центрированы на Земле, но не вращаются вместе с Землей, а вместо этого фиксируется относительно далеких звезд. Шесть плоскостей орбит имеют наклон приблизительно в 55° (наклон относительно экватора Земли) и разделены на 60° правого восхождения восходящего узла (угол вдоль экватора от точки отсчета до пересечения орбиты). Орбитальный период составляет половину звездных суток, т.е. 11 часов и 58 минут. Орбиты расположены таким образом, что по крайней мере шесть спутников всегда в пределах прямой видимости почти с любой точки на поверхности Земли. В результате этого получается, что четыре спутника распределены не равномерно (90 градусов) друг от друга в пределах каждой орбиты. В общем, угловая разница между спутниками на каждой орбите составляет 30, 105, 120 и 105 градусов друг от друга которые, конечно дают сумму 360 градусов.

Каждый космический аппарат находится на орбите высотой около 20 200 км, с орбитальным радиусом 26 600 км и делает два полных оборота каждый сидерический день, повторяя тот же трек каждый день. Это было очень полезно во время развития, потому что даже с четырех спутников, правильное расположение спутников означало, что все четыре видны из одного места в течение нескольких часов каждый день. Для военной операции, повторение маршрута спутника обеспечивало хорошее покрытие в зонах боевых действий.

По состоянию на декабрь 2012 года имеется 32 спутника в группировке GPS. Дополнительные спутники повышают точность расчетов координат GPS приемниками, обеспечивая избыточность измерений. С увеличением числа спутников, группировка была переформирована на неоднородное расположение спутников. Такое расположение было принято для повышения надежности и доступности системы, по отношению к однородной системе, для случаев одновременного отказа нескольких спутников. Около девяти спутников видны из любой точки на земле в любой момент времени, обеспечивая значительную избыточность, так как для определения координат необходим минимум в четыре спутника.

Управляющий сегмент

Управляющий сегмент состоит из:

• главной станции управления;
• альтернативных главных станций управления;
• четырех выделенных наземных антенн;
• шести выделенных станций мониторинга.

Главные станции управления также имеют доступ к Сети Управления Спутниками (AFSCN) ВВС США, наземным антеннам (для дополнительных команд и возможности управления) и станциям мониторинга NGA (National Geospatial-Intelligence Agency). Траектории полета спутников отслеживаются выделенными станциями мониторинга ВВС США на Гавайях, Кваджалейн, Острове Вознесения, Диего-Гарсии, Колорадо-Спрингс, Колорадо и мысе Канаверал, наряду с общими станциями мониторинга NGA, которые работают в Англии, Аргентине, Эквадоре, Бахрейн, Австралия и Вашингтоне. Информация направляется в командование Космических Военно-воздушных сил на авиабазе Шривер в 25 км от Колорадо-Спрингс, которая управляется 2-й эскадрильей космических операций ВВС США. Далее каждый спутник GPS регулярно опрашивается, загружаются навигационные обновления с помощью выделенных или общих (AFSCN) наземных антенн (выделенные наземные GPS антенны расположены на Кваджалейн, Острове Вознесения, Диего-Гарсия, и мысе Канаверал). Это обновления синхронизации атомных часов на борту спутника с точностью до нескольких наносекунд, а также настройки эфемерид внутренних орбитальных моделей каждого спутника. Обновления создаются с помощью фильтра Калмана, который использует входы от наземных станций мониторинга, информации о космической погоде, и различных других материалов.

Спутниковые маневры не являются точными по стандарту GPS. Таким образом, чтобы изменить орбиту спутника, он отмечается как не действующий и приемники перестают использовать его в своих расчетах. Тогда маневр может быть осуществлен, и в результате орбиты отслеживается с Земли. После этого новые эфемериды загружаются на спутник и он отмечается действующим.

Сегмент операционного контроля (OCS) в настоящее время служит в качестве заключительного контрольного сегмента. Он обеспечивает оперативный потенциал, который поддерживает глобальных пользователей GPS и поддерживает системы GPS в пределах спецификации.

OCS успешно заменил мэйнфреймы на базе Шривер в сентябре 2007 года. После установки, система помогла обеспечить модернизацию и основу для новой архитектуры безопасности, которая поддерживает вооруженные силы США. OCS будет по-прежнему наземной системой контроля, пока новый сегмент следующего поколения OCX не будет полностью разработан и запущен.

Новые возможности, предоставляемые OCX будет крайне важным для обеспечения революционных возможностей GPS и обеспечит Космическое управление ВВС США возможностями значительно повысить оперативные возможности GPS для боевых сил, гражданских партнеров и множества внутренних и международных пользователей.

Программа GPS OCX также позволит сократить затраты, сроки и технические риски. Она предназначена для обеспечения 50% экономии затрат за счет эффективной архитектуры программного обеспечения и системы логистики. Кроме того, как ожидается, GPS OCX будет стоить на миллионы меньше, чем стоимость обновления OCS, обеспечивая при этом в четыре раза больше возможностей.

Программа GPS OCX представляет собой важную часть модернизации GPS и обеспечивает значительное улучшение обеспечения информацией по текущей программе GPS OCS.

OCX будет иметь возможность контролировать и управлять старыми спутниками GPS, а также следующим поколением спутников GPS III, позволяя контролировать полный спектр военных сигналов.

Построенный па гибкой архитектуре, которая может быстро адаптироваться к изменяющимся потребностям сегодняшних и завтрашних пользователей GPS, OCX позволит осуществлять немедленный доступ к данным GPS и статусу группировки спутников с предоставлением безопасной, точной и достоверной информации.

OCX будет включать новые модернизированные сигналы (L1C, L2C и L5) и иметь возможность работы с М-кодом, что существующая система не в состоянии выполнить. Также новая система будет обеспечивать значительное улучшение безопасности передачи информации по сравнению с текущей программой, включая обнаружение и предотвращение кибератак, и обеспечит изоляцию, содержание и эксплуатацию системы во время таких атак.

14 сентября 2011 года, ВВС США объявили о завершении Предварительного обзор проекта OCX и подтвердили, что программа OCX готова к следующему этапу развития. Программа GPS OCX установила основные вехи и находится на пути к поддержке запуска GPS IIIA в мае 2014 года.

Пользовательский сегмент

GPS приемники выпускаются в различных форматах, с устройствами встроенными в автомобили, телефоны и часы, а также в виде специальных устройств.

Пользовательский сегмент состоит из сотен тысяч американских и союзных военных пользователей безопасной службы точного позиционирования GPS, а также десятков миллионов гражданских, коммерческих и научных пользователей стандартного сервиса позиционирования. В общем, GPS приемники состоят из антенны, которая настроена на частоты передаваемые со спутников, приемника, процессоров и часов с высокой стабильностью (часто компенсированный кварцевый генератор). Они также могут включать в себя дисплей для обеспечения отображения местоположения и скорости для пользователя. Приемник часто описывается количеством его каналов: это означает, сколько спутников он может контролировать одновременно. Первоначально был ограничен четырьмя или пятью, эта цифра постепенно увеличивается на протяжении многих лет, так что, начиная с 2007 года, приемники обычно имеют от 12 до 20 каналов. На данный момент многие приемники имеют более 50 каналов.

Многие приемники GPS могут передавать данные о положении на ПК или другое устройства с помощью протокола NMEA 0183. Хотя этот протокол официально определен Национальной ассоциацией морской электроники (NMEA), ссылки на этот протокол были получены из государственных архивов, программ с открытым исходным кодом, так что можно работать с этим протоколом не нарушая законов об интеллектуальной собственности. Существуют другие проприетарные протоколы, например, такие как SiRF и MTK протоколы. Приемники могут взаимодействовать с другими устройствами использующими методы такие как последовательный порт, USB или Bluetooth.

Статья подготовлена по материалам ресурса en.wikipedia.org