ally » 08.05.07, 13:50
Космическая радионавигационная система GPS предназначена для высокоточного навигационно-временного обеспечения в глобальном масштабе всех видов вооруженных сил США и гражданских пользователей. Кроме высокой точности измерения координат своего местоположения и скорости различных подвижных объектов, а также определения времени, важными ее достоинствами являются непрерывность выдачи информации, всепогодность и скрытность.
Сигналы, несущие навигационную информацию, излучаются на двух частотах: 1575,45 МГц (L1) и 1227,6 Мгц (L2). На второй частоте излучаются только сигналы с военным кодом P(Y), несущим высокоточную информацию (P - Precision, точный) и защищенным криптографическим методом от имитационных помех, о чем свидетельствует индекс Y. На первой частоте передаются сигналы как с кодом P(Y), так и общедоступным кодом C/A. Сигналы обоих кодов представляют собой псевдошумовую последовательность импульсов, с помощью которой осуществляется фазовая манипуляция несущей частоты. Военный код P(Y) имеет продолжительность 267 суток, а код С/А - 1 мс. Прием сигналов с кодом P(Y) дает возможность работы в режиме высокой точности измерений (PPS), а сравнение времени прихода сигналов на частотах L1 и L2 позволяет вычислять дополнительную задержку, возникающую при прохождении сигналов через ионосферу из-за нелинейности (увеличении пути) распространения в ней радиоволн.
Прием сигналов с кодом С/А только на одной частоте не дает возможности вычислять ошибки, вносимые при прохождении радиоволн через ионосферу. Кроме того, сама структура кода обеспечивает значительно худшие характеристики в режиме стандартной точности измерений (SPS). За счет преднамеренного ухудшения точности путем ввода ошибок при формировании навигационных параметров (режим избирательного доступа - SA) погрешность измерений в режиме SPS может быть доведена до 300 м и более.
Кроме кодов С/А и Р навигационные спутники регулярно передают специальные сообщения, которые содержат дополнительные сведения: о состоянии спутников и их параметрах - системном времени, эфемеридах (наборах параметров, точно описывающих орбиты спутников), прогнозе ионосферной задержки, показателях работоспособности. Передача навигационного сообщения длиной 1500 бит осуществляется со скоростью 50 бит/с на частотах L1 и L2. Для передачи полного сообщения обо всех спутниках требуется 12,5 минуты.
Спутниковые навигационные системы включают три элемента: космический (навигационные ИСЗ), наземный (комплекс управления спутниками) и оборудование пользователей. Технической основой СРНС и источником навигационной информации являются 24 ИСЗ, вращающиеся на высоте 20000 км с периодом обращения 12 час и равномерно "покрывающие" всю земную поверхность.
Принцип действия СРНС состоит в том, что многоканальный приемник пользователя измеряет дальности до нескольких ИСЗ и вычисляет свои координаты путем решения системы алгебраических уравнений. Дальность вычисляется умножением скорости распространения радиосигнала на время задержки при прохождении им расстояния от спутника до пользователя. Для того чтобы получить величину временной задержки, в передатчике ИСЗ имеется циклический генератор псевдослучайного кода, модулирующий высокочастотную несущую (~1,5 ГГц). Генерация псевдослучайного кода привязана к шкале времени ИСЗ. Идентичный генератор псевдослучайного кода и кварцевые часы имеются и в приемнике пользователя. Приемник сопоставляет свой код с кодом, принимаемым от спутника, и таким образом определяет суммарный временной сдвиг, состоящий из двух слагаемых. Первое слагаемое - переменная величина, пропорциональная мгновенной дальности до спутника, второе слагаемое (относительно медленно изменяющееся) - набегающая погрешность хода кварцевых часов приемника.
Для нахождения трехмерных координат местоположения пользователя (долгота, широта, высота) с учетом погрешностей измерения времени (четвертая неизвестная величина) в приемнике потребителя решается система из четырех уравнений. Исходная информация для них -сигналы не менее, чем от четырех спутников. При вычислении планарных (плоскостных) координат достаточно сигналов от трех спутников. Скорость передвижения пользователя определяется по доплеровскому сдвигу несущей частоты сигнала ИСЗ с учетом известного вектора скорости спутника.
Более точное определение координат (с погрешностью в единицы сантиметров) производится путем измерения фазы несущей волны.
Какую же информацию передает GPS-спутник? Его сигнал содержит т.н. псевдослучайный код (PRN - pseudo-random code), эфимерис (ephimeris) и альманах (almanach). Псевдослучайный код служит для идентификации передающего спутника. Все они пронумерованы от 1 до 32 и этот номер показывается на экране GPS-приемника во время его работы. Почему же количество PRN-номеров больше, чем число спутников (24)? Это облегчает обслуживание GPS-сети: новый спутник может быть запущен, проверен и введен в эксплуатацию еще до того, как старый выйдет из строя. Такому спутнику просто будет присвоен новый номер (от 1 до 32).
Данные эфимериса, постоянно передаваемые каждым спутником, содержат такую важную информацию, как состояние спутника (рабочее или нерабочее), текущая дата и время. Без этого Ваш GPS-приемник не знал бы, в частности, какой сегодня день и сколько сейчас времени. Помимо этого, как мы увидим далее, эта часть сигнала крайне важна для определения местоположения.
Данные альманаха говорят о том, где в течение дня должны находиться все GPS-спутники. Каждый из них передает альманах, содержащий параметры своей орбиты, а также всех других спутников системы.
Пожалуй теперь картина того, как работает GPS, должна становиться для Вас немного яснее. Каждый спутник передает сигнал, который, образно говоря, означает следующее: "Я, спутник - Х, сейчас мое положение Y, это сообщение было послано во время Z." Конечно, это сильное упрощение, но поможет понять идею.
Ваш GPS-приемник получает это сообщение и запоминает эфимерис и альманах для дальнейшего использования. Эта же информация используется для установки или коррекции часов приемника. Итак, для определения местоположения GPS-приемник сравнивает время отправки сигнала со спутника со временем его получения на Земле. Эта разница во времени говорит приемнику о расстоянии до конкретного спутника. Если добавить к этому информацию о расстоянии, измеренном до нескольких других спутников, то можно триангулировать свое местоположение. Это в точности то, что делает GPS-приемник. Имея сигналы, минимум от трех спутников, он может определить широту и долготу, это называется двумерной фиксацией. Если же спутников четыре или более, то GPS-приемник может определить положение в 3-х мерном пространстве, т.е. указать широту, долготу и высоту. Постоянно отслеживая Ваше местоположение в течение некоторого времени, приемник также может рассчитать скорость и направление Вашего движения (имеется ввиду т.н. наземная скорость и наземный курс).
Это были хорошие новости, теперь плохие! Что же заставляет GPS-приемник работать хуже своих предельных возможностей?
Существует несколько факторов, вносящих ошибку в определение местоположения, не позволяющих получить наилучшую точность. Первым и наиболее существенным из них является т.н. "избирательный доступ" (SA Selective Availability). SA это преднамеренное уменьшение точности гражданских GPS-навигаторов, осуществляемое Министерством обороны США. SA приводит к уменьшению точности максимум до 100 метров. Конечно, внесенная ошибка обычно не достигает этой величины, но значения в 30 и более метров не так уж редки.
Почему существует SA? Первоначально GPS была разработана и создана для военных целей. По мере ее внедрения стало ясно, что она может успешно применяться и для ряда гражданских задач. В начале 80-х годов в своей президентской речи Рональд Рейган заявил, что GPS будет доступна каждому с тем только исключением, что наилучшая точность будет оставлена для военных. С этого времени начался регулярный запуск спутников с возможностью SA. Сегодня все существующие GPS-спутники имеют возможность и применяют на практике SA. Рациональное зерно в SA не дать военному противнику или террористическим организациям использовать максимальную точность GPS.
Другим фактором, влияющим на точность GPS является геометрия спутников. Простыми словами, понятие геометрия спутников означает то, как они расположены относительно друг друга и GPS-приемника. Если, например, приемник видит четыре спутника и все четыре расположены в северном и западном направлениях, то спутниковая геометрия скорее плохая. Причем вплоть до того, что приемник вообще не сможет определить местоположение. Почему? Потому что все расстояния, измеренные до спутников, будут лежать в одном глобальном направлении. Это означает, что триангуляция будет плохой и что область пересечения построенных прямых будет довольно большой (т.е. область вероятного положения будет занимать значительное пространство и точно указать координаты невозможно). В этом случае, даже если приемник выдает некоторые значения координат, их точность не будет достаточно хороша (возможно, 100 - 150 м).
Если же эти четыре спутника будут находиться в разных направлениях, то точность значительно возрастет. Предположим, что они расположены равномерно по сторонам горизонта: на севере, востоке, юге и западе. Тогда, очевидно, геометрия будет очень хорошей. Область, определяемая пересечением соответствующих прямых будет невелика и мы можем быть уверены в правильности рассчитанного местоположения. В таком случае, даже если принять во внимание действие SA, точность может быть не хуже 30 м.
Геометрия спутников становится особенно важной при использовании GPS-приемника в автомобиле, среди высоких зданий, в горах или в глубоких ущельях. Если сигналы от некоторых спутников оказываются экранированы, то точность определения местоположения будет зависеть от оставшихся видимыми спутников (а от их количества - возможность провести расчеты вообще). Чем большая часть неба заслонена искусственными или естественными предметами, тем более сложно определить положение. Хорошие модели GPS-приемников показывают не только, сколько спутников находятся в зоне видимости, но и где они расположены на небе (направление и высоту над горизонтом) для того, чтобы Вы могли определить, не экранируется ли сигнал от данного спутника.
Другим источником ошибок является переотражение спутникового сигнала от различных объектов. (В быту мы встречаемся с эти явлением в виде появления раздвоенного изображения на экране телевизора.) В случае GPS переотражение возникает при взаимодействии сигнала со зданиями или рельефом местности до того, как он достигнет приемной антенны. Такому сигналу требуется больше времени для достижения приемника, чем прямому. Это увеличение времени заставляет приемник считать, что спутник находится на большем расстоянии, чем на самом деле и это увеличивает ошибку при определении положения. Такие переотражения, если происходят, то могут добавить около 5 м в общую ошибку.
Существуют ли другие источники погрешностей? Конечно. Например, задержка прохождения сигнала из-за различных атмосферных феноменов. Или ошибка хода часов приемника. Однако GPS-приборы спроектированы так, чтобы, по возможности, компенсировать их и, надо сказать, они справляются с этой задачей вполне успешно. Однако, небольшие искажения все же возможны. Для тех, кто интересуется, можно заметить, что задержка прохождения сигнала означает уменьшение скорости распространения радиоволн при прохождении ионосферы и тропосферы Земли. В космосе радиосигналы распространяются со скоростью света, однако при попадании их в ионизированные слои атмосферы Земли они существенно замедляются.
Насколько же точна GPS на практике? Обычные гражданские GPS-приемники обеспечивают точность от 20 до 70 м в зависимости от действующего на данный момент SA, количества видимых спутников и их геометрии. Более сложные и дорогие приборы, стоящие несколько тысяч долларов, могут обеспечить точность до нескольких сантиметров, используя не одну, а несколько радиочастот.
Однако точность даже обычных гражданских GPS-приемников может быть увеличена до 4 м и более (в ряде случаев - до 1 м) с помощью т.н. дифференциальной GPS (DGPS). DGPS использует дополнительный, фиксированный в одной точке GPS-приемник для определения коррекции спутниковых сигналов. Как же величина необходимой коррекции сообщается Вашему GPS-приемнику? В настоящее время в мире существует несколько бесплатных и платных служб такого рода. Так, например, Береговая охрана США и Инженерный корпус Армии США передают GPS-коррекции через морские радио-буи. Они работают в диапазоне 283.5 - 325.0 кГц и пользоваться ими можно бесплатно. Вашими единственными расходами, если Вы захотите пользоваться услугами этих служб, будет приобретение DGPS-приемника. Этот приемник подключается к Вашему GPS-навигатору с помощью 3-х проводного кабеля, по которому поправка передается в обычном последовательном виде в формате, называемом RTCM SC-104.
Платные DGPS-службы работают в УКВ-диапазоне или осуществляют вещание через спутники. Естественно, и в этих случаях Вам понадобится специальный DGPS-приемник для приема поправок и передачи их на GPS-навигатор. Цена зависит от требуемой точности.
T4 Caravelle 2000г. ACV
Алексей ak.illusiy.net
Микроавтобусы (техническая часть) 
Да, я сгущаю краски. Ну...., отпишитесь плизз о впечетлениях. 
