Основна концепція GPS

Загальний принцип роботи

Приймач GPS обчислює свої позиції, точно вимірюючи час поширення сигналів, що посилаються з супутників GPS високо над Землею. Кожен супутник постійно передає повідомлення, які включають:

• час, коли повідомлення було передане;
• положення супутника на момент передачі повідомлення.

Приймач використовує повідомлення, які він отримує, щоб визначити час проходження кожного повідомлення і розраховує відстань до кожного супутника з урахуванням швидкості світла. Кожна з цих відстаней і положення супутників задає певні сфери в просторі. Якщо відстані і розташування супутників правильні, то приймач знаходиться в точці перетину цих сфер. Виміряні відстані і місця розташування супутників використовуються для обчислення місця розташування приймача за допомогою навігаційних рівнянь. Це місце розташування потім відображається на дисплеї з картою або у вигляді широти і довготи. Також можливе виведення висоти над умовним рівнем моря. Багато приймачів GPS також показують вичислені похідні параметри, такі як напрям і швидкість.

Найчастіше, для отримання точного результату, потрібна інформація з чотирьох або більше супутників . При цьому чотири поверхні сфери зазвичай не перетинаються. У зв'язку з цим ми можемо з упевненістю сказати, що коли ми вирішуємо рівняння навігації, щоб знайти перетин, це рішення дає нам положення приймача разом з точним часом (необхідність четвертого рівняння), тим самим усуваючи необхідність для дуже дорогого високоточного годинника на стороні приймача. Отриманий точний час як правило використовується тільки для відображення на екрані або зовсім не використовується у багатьох додатках GPS, які використовують тільки місце розташування. Проте можна використати цей дуже дешевий спосіб отримання високоточного часу для вирішення ряду завдань. За допомогою цих даних можлива синхронізація світлофорів на дорогах, синхронізація часу у базових станціях стільникового зв'язку і багато іншого.

Попри те, що потрібно чотири супутники для нормальної роботи, в особливих випадках може застосовуватися менша кількість. Якщо одна змінна вже відома (як правило час), приймач може визначити своє положення тільки трьох супутників. Або, наприклад, морське або повітряне судно володіє точно відомою висотою. Деякі GPS приймачі можуть використовувати додаткові припущення, такі як повторне використання останньої відомої висоти, інерціальну навігацію, у тому числі і інформацію з бортового комп'ютера автомобіля, щоб дати (можливо, гірше за якістю) положення, коли видно менше чотирьох супутників.

Структура системи

Нині система GPS складається з трьох основних сегментів. Це космічний сегмент (SS), керуючий сегмент (CS) і користувальницький сегмент. ВПС США розробляє, підтримує і управляє космічним і керуючим сегментами. GPS супутники передають сигнали з космосу і кожен приймач GPS використовує ці сигнали для розрахунку його тривимірного місця розташування (широта, довгота і висота над рівнем моря).

Космічний сегмент складається з 24-32 супутників на середній навколоземній орбіті, а також включає адаптери прискорювачів, необхідні для їх запуску на орбіту. Сегмент управління складається з головної станції управління, альтернативних головних станцій управління, і розподілених наземних антен і станцій моніторингу. Користувальницький сегмент складається з сотень тисяч американських і союзних військових приймачів захищеної служби точного позиціонування GPS, а також десятків мільйонів цивільних, комерційних і наукових користувальницьких стандартних пристроїв позиціонування.

Космічний сегмент

Космічний сегмент (SS) складається з орбітальних супутників GPS, або космічних апаратів (КА) в термінології GPS. Система GPS спочатку налічувала 24 супутники, по вісім в трьох кругових орбітах, але це було згодом змінено на шість орбітальних площин з чотирма супутниками в кожній площині. Орбіти центровані на Землі, але не обертаються разом із Землею, а замість цього фіксується відносно далеких зірок. Шість площин орбіт мають нахил приблизно в 55° (нахил відносно екватора Землі) і розділені на 60° правого сходження висхідного вузла (кут уздовж екватора від точки відліку до перетину орбіти). Орбітальний період складає половину зоряної доби, тобто 11 годин і 58 хвилин. Орбіти розташовані таким чином, що принаймні шість супутників завжди в межах прямої видимості майже з будь-якої точки на поверхні Землі. В результаті цього виходить, що чотири супутники розподілені не рівномірно (90 градусів) один від одного в межах кожної орбіти. Загалом, кутова різниця між супутниками на кожній орбіті складає 30, 105, 120 і 105 градусів один від одного які, звичайно дають суму 360 градусів.

Кожен космічний апарат знаходиться на орбіті заввишки близько 20 200 км, з орбітальним радіусом 26 600 км і робить два повні оберти кожен сидеричний день, повторюючи той же трек землі щодня. Це було дуже корисно під час розвитку, тому що навіть з чотирьох супутників, правильне розташування супутників означало, що всі чотири видні з одного місця впродовж декількох годин щодня. Для військової операції, повторення маршруту супутника забезпечувало хороше покриття в зонах бойових дій.

За станом на грудень 2012 року є 32 супутники в угрупуванні GPS. Додаткові супутники підвищують точність розрахунків координат GPS приймачами, забезпечуючи надмірність вимірів. Зі збільшенням числа супутників, угрупування було переформоване на неоднорідне розташування супутників. Таке розташування було прийняте для підвищення надійності і доступності системи, по відношенню до однорідної системи, для випадків одночасної відмови декількох супутників. Близько дев'яти супутників видно з будь-якої точки на землі у будь-який момент часу, що забезпечує значну надмірність, оскільки для визначення координат потрібний мінімум в чотири супутники.

Керуючий сегмент

Керуючий сегмент складається з:

• головної станції управління;
• альтернативних головних станцій управління;
• чотирьох виділених наземних антен;
• шести виділених станцій моніторингу.

Головні станції управління також мають доступ до Мережі Управління Супутниками (AFSCN) ВПС США, наземних антен (для додаткових команд і можливості управління) і станцій моніторингу NGA (National Geospatial - Intelligence Agency). Траєкторії польоту супутників відстежуються виділеними станціями моніторингу ВПС США на Гаваях, Кваджалейн, Острові Вознесли, Дієго-Гарсії, Колорадо-Спрінгс, Колорадо і мисі Канаверал, разом із загальними станціями моніторингу NGA, які працюють в Англії, Аргентині, Еквадорі, Бахрейн, Австралії і Вашингтоні. Інформація спрямовується в командування Космічних Військово-повітряних сил на авіабазі Шрівер в 25 км від Колорадо-Спрінгс, яка управляється 2-ою ескадрильєю космічних операцій ВПС США. Далі кожен супутник GPS регулярно опитується, завантажуються навігаційні оновлення за допомогою виділених або загальних (AFSCN) наземних антен (виділені наземні GPS антени розташовані на Кваджалейн, Острові Вознесли, Дієго-Гарсія, і мисі Канаверал). Це оновлення синхронізації атомного годинника на борту супутника з точністю до декількох наносекунд, а також налаштування ефемерид внутрішніх орбітальних моделей кожного супутника. Оновлення створюються за допомогою фільтру Кальмана, який використовує входи від наземних станцій моніторингу, інформації про космічну погоду, і різних інших матеріалів.

Супутникові маневри не являються точними за стандартом GPS. Так, щоб змінити орбіту супутника, він відзначається як не діючим і приймачі перестають використати його у своїх розрахунках. Тоді маневр може бути здійснений, і в результаті орбіти відстежуються із землі. Після цього нові ефемериди завантажуються на супутник і він відзначається діючим.

Сегмент операційного контролю (OCS) нині служить в якості заключного контрольного сегменту. Він забезпечує оперативний потенціал, який підтримує глобальних користувачів GPS і підтримує системи GPS в межах специфікації.

OCS успішно замінив мейнфрейми на базі Шривер у вересні 2007 року. Після установки, система допомогла забезпечити модернізацію і основу для нової архітектури безпеки, яка підтримує збройні сили США. OCS буде як і раніше наземною системою контролю, поки новий сегмент наступного покоління OCX не буде повністю розроблений і запущений.

Нові можливості, що надаються OCX, будуть украй важливими для забезпечення революційних можливостей GPS і забезпечать Космічне управління ВПС США можливостями значно підвищити оперативні можливості GPS для бойових сил, цивільних партнерів і безлічі внутрішніх і міжнародних користувачів.

Програма GPS OCX також дозволить скоротити витрати, терміни і технічні ризики. Вона призначена для забезпечення економії витрат за рахунок ефективної архітектури програмного забезпечення і системи логістики. Крім того, як очікується, GPS OCX коштуватиме на мільйони менше, ніж вартість оновлення OCS, забезпечуючи при цьому в чотири рази більше можливостей.

Програма GPS OCX є важливою частиною модернізації GPS і забезпечує значне поліпшення забезпечення інформацією за поточною програмою GPS OCS.

OCX матиме можливість контролювати і управляти старими супутниками GPS, а також наступним поколінням супутників GPS III, дозволяючи контролювати повний спектр військових сигналів.

Побудований па гнучкій архітектурі, яка може швидко адаптуватися до потреб сьогоднішніх і завтрашніх користувачів GPS, що змінюються, OCX дозволить здійснювати негайний доступ до даних GPS і статусу угрупування супутників з наданням безпечної, точної і достовірної інформації.

OCX включатиме нові модернізовані сигнали (L1C, L2C і L5) і матиме можливість роботи з М-кодом, що існуюча система не в змозі виконати. Також нова система буде забезпечувати значне поліпшення безпеки передачі інформації в порівнянні з поточною програмою, включаючи виявлення і запобігання кібератак, та забезпечить ізоляцію, утримання і експлуатацію системи під час таких атак.

14 вересня 2011 року, ВПС США оголосили про завершення Попереднього огляду проекту OCX і підтвердили, що програма OCX готова до наступного етапу розвитку. Програма GPS OCX встановила основні віхи і знаходиться на шляху до підтримки запуску GPS IIIA в травні 2014 року.

Користувальницький сегмент

GPS приймачі випускаються в різних форматах, з пристроями вбудованими в автомобілі, телефони і годинник, а також у вигляді спеціальних пристроїв.

Користувальницький сегмент складається з сотень тисяч американських і союзних військових користувачів безпечної служби точного позиціонування GPS, та десятків мільйонів цивільних, комерційних і наукових користувачів стандартного сервісу позиціонування. Загалом, GPS приймачі складаються з антени, яка налаштована на частоти передавані з супутників, приймача, процесорів і годинника з високою стабільністю (часто компенсований кварцевий генератор). Вони також можуть включати дисплей для забезпечення відображення місця розташування і швидкості для користувача. Приймач часто описується кількістю його каналів: це означає, скільки супутників він може контролювати одночасно. Спочатку був обмежений чотирма або п'ятьма, ця цифра поступово збільшується упродовж багатьох років, так що, починаючи з 2007 року, приймачі зазвичай мають від 12 до 20 каналів. На даний момент багато приймачів мають більше 50 каналів.

Багато приймачів GPS можуть передавати дані про положення на ПК або інші пристрої за допомогою протоколу NMEA 0183. Хоча цей протокол офіційно визначений Національною асоціацією морської електроніки (NMEA), посилання на цей протокол були отримані з державних архівів, програм з відкритим початковим кодом, так що можна працювати з цим протоколом не порушуючи законів про інтелектуальну власність. Існують інші пропрієтарні протоколи, наприклад, такі як SiRF і MTK протоколи. Приймачі можуть взаємодіяти з іншими пристроями що використовують методи такі як послідовний порт, USB або Bluetooth.

Стаття підготовлена по матеріалах ресурсу en.wikipedia.org