GPS-навигация. Принцип работы систем спутниковой.

Возможность определять координаты вне зависимости от капри­зов природы и времени суток появилась с началом освоения космоса. Днем рождения спутниковой навигации принято считать 4 октября 1957 года, когда был запущен первый искусственный спутник Земли. Однако лишь в конце 70-х годов была создана первая спутниковая радионавига­ционная система (СРНС), которая позволяла определить координаты объекта при помощи радиосигналов, передаваемых со спутника.

 

СРНС применяются для определения положения и ориентации сухопутных, воздушных и морских подвижных объектов. При строитель­стве туннеля под Ла-Маншем строители начали копать с противополож­ных сторон, сопоставляя свои местоположения при помощи СРНС NAVSTAR (GPS), что, в результате, позволило им встретиться ровно по­середине. Системы навигации используются геодезистами, спасателями, работают на баллистических ракетах. Не первый год за рубежом в ком­плектацию некоторых моделей автомобилей входит приемник GPS-сигналов (при ввозе автомобилей в Россию приемники отключаются — это­го требует наше законодательство).

 

Основными требованиями, которые предъявляются к СРНС, яв­ляются точность определения координат и времени и возможность полу­чать навигационную информацию в любой момент. СРНС первого по­коления — «Транзит» в США и «Цикада» в СССР — этим требованиям не удовлетворяли: во-первых, длительные перерывы между сеансами нави­гации (до 30 минут в приполярных районах и до 2 часов в экваториаль­ных) не позволяли пользователю определять свое местоположение, ког­да захочется.

 

Во-вторых, погрешность определения горизонтальных координат подвижного объекта была довольно большой — от 10 до 100 м. Кроме того, СРНС первого поколения не давали информации о высоте и скорости объекта.

 

В СРНС второго поколения был внесен ряд изменений. Проблема точности и оперативности определения координат была решена за счет увеличения количества спутников в системе.

 

Чтобы пользователь мог в любой момент узнать свое местополо­жение и время, необходимо было обеспечить одновременную радиови­димость как минимум четырех спутников, расположенных определен­ным образом.

 

Для решения этой задачи достаточно, чтобы на орбите находилось 18 спутников, однако было решено использовать 24 — для повышения точности определения координат самих спутников.

 

Принцип работы систем спутниковой навигации таков. Прием­ник навигационных сигналов измеряет задержку распространения сиг­нала от каждого из видимых спутников до приемника. Задержка сигнала, умноженная на скорость света, — это расстояние от спутника в момент излучения до приемника в момент приема. Из принятого сигнала прием­ник получает информацию о положении спутника.

 

Геометрически работу спутниковой навигационной системы можно продемонстрировать следующим образом: пользователь находит­ся в точке пересечения нескольких сфер, центрами которых являются видимые спутники. Радиусы сфер равны дальности до каждого из спут­ников. Для определения широты и долготы приемнику необходимо при­нимать сигналы как минимум от трех спутников; прием сигнала от четвертого спутника позволяет определить и высоту объекта над поверх­ностью. Эти данные позволяют найти координаты пользователя, решив некоторую систему уравнений. При определении координат объекта воз­никают ошибки, связанные с влиянием ионосферы, температуры возду­ха, атмосферного давления и влажности (каждый фактор вносит погреш­ность до 30 м). Эфемеридная погрешность (разница между расчетным и реальным положением спутника) составляет от 1 до 5 м; интерференция тоже вносит свой вклад. Суммарная ошибка может достигать 100 м.

 

Для уменьшения погрешностей используется так называемый дифференциальный режим GPS (Differential GPS). В этом режиме при­емник пользователя получает поправки к своим координатам от базовой станции. Обычно поправки передаются в реальном времени по радиока­налу. В результате точность определения координат достигает 1-5 м. Но­вым классом систем относительной навигации являются системы, обес­печивающие (в реальном времени) точность местоопределения порядка 1 см. Суть технологии такова: опорная станция и приемник пользовате­ля получают сигналы от спутников. Затем опорная станция посылает ре­зультаты измерения фазы и псевдодальности всех видимых спутников на приемник пользователя. В результате обработки на приемнике относи­тельные координаты определяются с точностью до 1 см в реальном вре­мени с надежностью 0,999.