Каждый из нас, даже тот, чей образ жизни далёк от активного, может попасть в ситуацию, когда ему надо будет быстро сориентироваться в незнакомой местности. В таких случаях нам может помочь система GPS – система, которая не только может быть маленьком приборе, но и вовсе может быть встроена в мобильный телефон. Итак, давайте познакомимся ближе с загадочным устройством GPS.
Итак, система глобального позиционирования, или пресловутая GPS (Global Positioning System) изначально была разработана, конечно же, в военных целях. Впервые мысли о такой системе, пришли в голову американцам, и как следствие именно американские специалисты первыми в 1973 году начали её разработку. Уже через пять лет после этого на орбиту вывели первый спутник, который благополучно открыл эру GPS для специальных подразделений, а в 1983 году указом президента США систему сделали доступной для каждого.
Всю систему GPS удобно представить в виде трёх составляющих: спутников, находящихся в космосе, станций, которые обеспечивают слежение за спутниками и корректировку их работы, и непосредственно приёмников сигнала, которыми могут быть мобильные телефоны или специальные устройства. Использование этой системы обеспечивает возможности получения координат в любое время и при любых погодных условиях, она работает в любом уголке нашей планеты, а потому и заслуживает звания глобальной.
Итак, как же осуществляется взаимодействие составляющих частей системы? Чтобы ответить на этот вопрос надо рассмотреть пять основных составляющих: спутниковую трилатерацию (основу системы), спутниковую дальнометрию (измерение расстояний непосредственно до спутников), точную временную привязку (т.е. фактически определение точного местоположения спутника в космосе), и коррекцию ошибок (т.е. учёт всех погрешностей, вызванных задержками сигналов в тропосфере и ионосфере). Итак, давайте разберёмся с каждой из операций более детально.
Итак, спутниковая трилатерация. Все мы решали в школах задачи, в которых нам надо было узнать, за какое время какой-то объект доберётся до какого-либо пункта назначения. По аналогии с этими задачами, легко представить, что зная, за какое время сигнал доходит от спутника до определённого места на земле, можно вычислить расстояние до этого места. Рассмотрим группу спутников, местоположение (координаты) которых известно, как и расстояние между ними. Итак, мы можем описать сферу вокруг спутника, радиус который будет равен расстоянию до объекта на Земле. При этом вокруг второго спутника также можно описать сферу, радиус которой будет также равен расстоянию до объекта на Земле. Таким образом, координаты объекта на земле окажутся в пределах круга, который появится из-за пересечения двух сфер. Благодаря наличию третьего спутника, можно быстро и точно определить, в каком именно месте круга расположен наш искомый объект на поверхности Земли.
Что касается спутниковой дальнометрии, то здесь главная загвоздка в изменении времени прохождения отправленного с космического аппарата для приёмника радиосигнала, умноженная на скорость света. А потому, чтобы точно знать скорость распространения сигнала необходимо знать ещё и время его отправки. Для получения этой информации существует простая схема: на спутниках и приёмной станции одновременно генерируются одинаковые коды, когда на приемник приходит сигнал, который содержит не только полезную информацию, но и сгенерированный код, по нему выясняют, в какой момент был отправлен сигнал. Полученная разница во времени отправления и принятия позволяет рассчитать расстояние, которое прошёл сигнал.
Точность временной привязки, без всякого сомнения, зависит от точности синхронизации часов на приемнике и спутнике. Точность атомных часов на спутниках в пределах 1 наносекунды, однако, получение такой точности для каждого приёмника очень дорого, потому устранение ошибок хода часов приемника достигается за счёт использования четвертого спутника. После получения GPS-приемником серии данных от спутников, путем исчислений выясняется погрешность во времени, и устраняется. Именно по этой причине минимальное количество необходимых для определения координат объекта спутников равняется четырём.
Расположение используемых спутников. В системе NAVSTAR работают 24 рабочих спутника, орбитальный период которых составляет 12 часов. Они перемещаются на высоте 20200 км над поверхностью Земли. Таким образом, в шести плоскостях, с наклоном к экватору в 55°, расположены по 4 спутника. Министерство обороны США с помощью 4-х станций слежения постоянно контролирует работу спутников и управляет ими, а благодаря трём станциям связи и центру контроля обеспечивается управление наземными сегментами системы и общая синхронизация в работе.
Коррекция ошибок. Как и в случае с решением задач в школе, после получения каких-либо данных необходимо выполнить проверку. Конечно же, проверки в работе GPS и исправление возможных ошибок является намного более сложным, чем в решении задачек, и в первую очередь это связано массой разнообразных помех, влияющих на сигнал. Ведь даже скорость распространения сигнала нельзя считать в данном случае константой – она изменяется при входе сигнала в ионосферу и тропосферу. Конечно, существуют алгоритмы, которые позволяют в большинстве случаев устранить такие задержки. Существуют и проблемы связанные с отражением сигнала от Земной поверхности, что мешает в приёме сигналов поступающих из спутников. Не смотря на то, что существует масса техник, и разработаны сложнейшие конструкции, устраняющих неточности и ошибки, время от времени ошибки все-таки дают о себе знать.
Интересно заметить, что когда-то существовал еще один – искусственный источник ошибок – Избирательный доступ (S/A или Selective Availability), т.е. искусственное снижение точности сигнала, что снижало точность получения координат до 100 метров. Такое снижение точности позиционирования, которое, конечно же, распространялось лишь на аппараты обычных граждан, а не аппаратуру военных структур, считалось одним из защитных механизмов, который бы не позволил использовать систему со злым умыслом. К примеру, таким образом, систему практически невозможно было использовать её для слежения за частной жизнью людей. Первого мая в 2000-м году пресловутое Selective Availability было указом президента США отключено, и пользование GPS стало более удобным, и эффективным. Теперь любой, кто является владельцем аппарата со встроенным GPS может без труда сориентироваться, где бы он ни был, и быстро найти место, к которому он добирался.