Точность определения координат GPS. Разница в GPS приемниках геодезических и обычных. Методы геодезических измерений GPS приемниками

Процесс определения координат при нахождении на одном месте или при перемещении сводится к получению сигналов со спутников системы GPS, их анализу и вычислению данных о местоположении приемника. Результаты вычисления отображаются в виде координат на дисплее приемника.

У приемника GPS есть способность вычислять скорость и направление движения, могут обеспечить привязку к загружаемой в приемник или в портативный компьютер карте местности или карте крупного города. Это свойство представляет большую ценность, так как позволяет ориентироваться в местности, которую не знаешь, наблюдая свое перемещение на экране монитора.

У приемников GPS имеются накопитель данных, предназначенный для хранения измеренных координат, а программное обеспечение контролирует установки интервала измерений и количества хранимых GPS-данных. Накопитель, в зависимости от назначения приемника, может быть либо выполнен в виде отдельного устройства, либо интегрирован с приемником в одном корпусе.

Навигационные сигналы gps

Каждый спутник GPS излучает на двух частотах - L1 и L2 - специальный навигационный сигнал в виде псевдослучайной фазоманипулированной последовательности, в котором зашифрованы два вида кода - код С/А (coarse/acquisition или clear/acquisition), или «грубый» код, доступный широкому кругу гражданских потребителей и позволяющий получать лишь приблизительную оценку местоположения, и код P (precision code), обеспечивающий более точное вычисление координат. Первоначально пользование кодом P было ограничено, но 1 мая 2000 г. эти ограничения распоряжением президента США были сняты, что позволило значительно увеличить точность этих приемников без необходимости их модернизации. Код С/А передается на частоте L1 с использованием фазовой манипуляции псевдослучайной последовательности длиной 1023 символа с защитой от ошибок. Период повторения С/А-кода - 1 мс. Тактовая частота - 1,023 МГц. Код P передается на частоте L2 с применением сверхдлинной псевдослучайной последовательности с периодом повторения 267 дней. Тактовая частота - 10,23 МГц. Кроме этих кодов в сигнале GPS может присутствовать и код Y, представляющий собой шифрованную версию кода P.

Кроме кодов С/А и P спутник GPS регулярно передает специальное сообщение, содержащее дополнительные сведения. Пользователь получает информацию о системном времени, эфемеридах (наборах параметров, точно описывающих орбиту движения спутника), прогнозе ионосферной задержки, показателях работоспособности. Передача навигационного сообщения длиной 1500 бит осуществляется со скоростью 50 бит/с на частотах L1 и/или L2.

Точность определения координат в системах gps

Координаты подвижного абонента определяются с помощью стандартного приемника сигналов GPS. Он может использовать пассивную или активную антенну и автономно вычисляет географические координаты и Всемирное время (UTC) по навигационным сигналам. Такие приемники обеспечивают высокую точность определения координат.

Приемники GPS могут различаться по количеству каналов приема, скорости обновления данных, времени вычислений, точности и надежности определения координат. Они могут быть оснащены несколькими приемниками, позволяющими отслеживать практически все навигационные спутники, находящиеся в зоне радио-видимости. Количество каналов приема обычно приводится в технических данных приемника. Если число каналов приема меньше количества наблюдаемых спутников, автоматически выбирается наиболее оптимальное сочетание последних. Навигационные данные обновляются каждую секунду. Время определения координат зависит от числа одновременно наблюдаемых спутников и режима определения местоположения.

Определение координат может производиться в двух режимах - 2D (двухмерном) и 3D (трехмерном или пространственном). В режиме 2D определяются широта и долгота, высота считается известной. Для работы в этом режиме достаточно присутствия в зоне радио-видимости трех спутников, и время определения координат не превышает 2 мин.

Определение пространственных координат абонента в режиме 3D требует, чтобы в зоне радио-видимости находилось не менее четырех спутников. Время определения координат при этом составляет не более 3 - 4 мин. Использование приемника только системы GPS или только системы ГЛОНАСС (об этом чуть ниже) обеспечит погрешность менее 100 м. А если использовать комбинированный двух стандартный GPS/ГЛОНАСС приемник, точность определения координат будет значительно выше, и погрешность составит всего 15–20 м.

При выполнении некоторых работ, например, геодезической съемки, требуется высокая точность определения координат. Ее обеспечивает дифференциальный метод, когда данные о координатах объекта, измеренные приемником GPS, уточняются привязкой их к размещенным на местности стационарным постам, которые оснащены приемниками GPS, координаты которых точно известны. Точность измерения координат при этом составляет от нескольких дециметров до 5 м.

На величину ошибки при определении координат влияет ряд факторов. Для уменьшения величины погрешности в каждом конкретном случае используются специальные меры, поэтому просто перечислим причины возникновения погрешностей.

1. Погрешности, обусловленные режимом селективного доступа (Selective availability или S/A). В настоящее время этот режим отменен, но провайдер услуг GPS (Министерство обороны США) может его ввести в особых случаях. Величина среднеквадратической ошибки при этом составит примерно 30 м.

2. Погрешности, связанные с распространением радиоволн в ионосфере, происходят из-за задержки распространения сигналов при их прохождении через ионосферу, состояние которой зависти от многих факторов (время суток, года, уровень солнечной активности), и приводят к ошибкам порядка 20–30 м днем и 3–6 м ночью.

3. Погрешности, обусловленные распространением радиоволн в тропосфере (нижнем слое атмосферы). Погрешность при использовании сигналов с С/А-кодом не превышает 30 м.

4. Эфемеридная погрешность, обусловленная расхождением между фактическим и расчетным положением спутника GPS, которое устанавливается по данным навигационного сигнала, передаваемого с его борта. Значение погрешности не превышает 3 м.

5.Погрешность ухода шкалы времени спутника обусловлена расхождением шкал времени различных спутников.

6. Погрешность определения расстояния до спутника. Это статистический показатель, который вычисляется для конкретного спутника и заданного интервала времени. Величина ошибки обычно не превышает 10 м. Навигационный приемник сигналов для системы GPS состоит из приемного модуля и малогабаритной антенны с малошумящим усилителем. Приемный модуль выпускается как в виде автономного устройства со встроенными источниками питания, так и в виде отдельной платы, встраиваемой в абонентский терминал.

Спутниковые системы позиционирования и навигации, изначально разрабатывавшиеся для военных нужд, в последнее время находят широкое применение в гражданской сфере. GPS/ГЛОНАСС мониторинг транспорта, наблюдение за нуждающимися в опеке людьми, контроль перемещений сотрудников, слежение за животными, отслеживание багажа , геодезия и картография – это основные направления использования спутниковых технологий.

В настоящее время существует две глобальных системы спутникового позиционирования, созданных в США и РФ, и две региональных, охватывающих Китай, страны Евросоюза и еще ряд стран Европы и Азии. В России доступен ГЛОНАСС мониторинг и GPS мониторинг.

Системы GPS и ГЛОНАСС

GPS (Global Position System, Глобальная система позиционирования) – это спутниковая система, разработка которой началась в Америке с 1977 года. К 1993 программу развернули, а к июлю 1995 – добились полной готовности системы. В настоящее время космическая сеть GPS состоит из 32 спутников: 24 основных, 6 резервных. Они вращаются вокруг Земли по средневысокой орбите (20 180 км) в шести плоскостях, по четыре основных спутника в каждой.

На земле расположена главная контрольная станция и десять станций слежения, три из которых передают спутникам последнего поколения корректировочные данные, а те распределяют их на всю сеть.

Разработка системы ГЛОНАСС (Глобальной навигационной спутниковой системы) начата еще в СССР в 1982 году. О завершении работ заявили в декабре 2015 года. Для работы ГЛОНАСС требуется 24 спутника, для покрытия территории и РФ достаточно 18, а общее число спутников, находящихся в данный момент на орбите (включая резервные) – 27. Они также движутся по средневысокой орбите, но на меньшей высоте (19 140 км), в трех плоскостях, по восемь основных спутников в каждой.

Наземные станции ГЛОНАСС расположены в России (14), Антарктиде и Бразилии (по одной), намечается развертывание ряда дополнительных станций.

Предшественником системы GPS была система Transit, разработанная в 1964 году для управления запуском ракет с подводных лодок. Она могла определить местонахождение исключительно неподвижных объектов с точностью до 50 м, а единственный спутник находился в поле видимости всего один час в сутки. Программа GPS ранее носила названия DNSS и NAVSTAR. В СССР создание навигационной спутниковой системы велось с 1967 года в рамках программы «Циклон».

Основные отличия системs мониторинга ГЛОНАСС от GPS:

американские спутники движутся синхронно с Землей, а российские – асинхронно;
разная высота и количество орбит;
разный угол их наклона (около 55° для GPS, 64,8° для ГЛОНАСС);
разный формат сигналов и рабочие частоты.

Преимущества системы GPS

GPS – старейшая из существующих систем позиционирования, приведена в полную готовность раньше российской.
Надежность обусловлена использованием большего числа резервных спутников.
Позиционирование происходит с меньшей погрешностью, чем у ГЛОНАСС (в среднем 4 м, а для спутников последнего поколения – 60–90 см).
Множество устройств поддерживает систему.

Преимущества системы ГЛОНАСС

Положение асинхронных спутников на орбите более стабильное, что облегчает управление ими. Регулярное внесение корректив не требуется. Данное преимущество важно для специалистов, а не потребителей.
Система создана в России, поэтому обеспечивает уверенный прием сигнала и точность позиционирования в северных широтах. Это достигается за счет большего угла наклона спутниковых орбит.
ГЛОНАСС – это отечественная система, и останется доступной для россиян в случае отключения GPS.

Недостатки системы GPS

Спутники вращаются синхронно вращению Земли, поэтому для точного позиционирования требуется работа корректирующих станций.
Низкий угол наклона не обеспечивает хорошего сигнала и точного позиционирования в полярных областях и высоких широтах.
Право управления системой принадлежит военным, а они могут искажать сигнал или вообще отключить GPS для гражданских лиц или для других стран в случае конфликта с ними. Поэтому хотя GPS для транспорта точнее и удобнее, а ГЛОНАСС – надежнее.

Недостатки системы ГЛОНАСС

Разработка системы началась позже и до недавнего времени велась со значительным отставанием от американцев (кризис, финансовые злоупотребления, хищения).
Неполный комплект спутников. Продолжительность службы российских спутников ниже, чем американских, они чаще нуждаются в ремонте, поэтому точность навигации в ряде областей снижается.
Спутниковый мониторинг транспорта ГЛОНАСС дороже, чем GPS из-за высокой стоимости устройств, адаптированных к работе с отечественной системой позиционирования.
Недостаток программного обеспечения для смартфонов, КПК. Модули ГЛОНАСС проектировали для навигаторов. Для компактных портативных устройств на сегодняшний день более распространенный и доступный вариант – это поддержка GPS-ГЛОНАСС или только GPS.

Резюме

Системы GPS и ГЛОНАСС являются взаимодополняемыми. Оптимальное решение – это спутниковый GPS-ГЛОНАСС мониторинг. Устройства с двумя системами, например, GPS-маркеры с ГЛОНАСС-модулем «М-Плата» обеспечивают высокую точность позиционирования и уверенную работу. Если для позиционирования исключительно по ГЛОНАСС погрешность в среднем составляет 6 м, а для GPS – 4 м, то при использовании двух систем одновременно она снижается до 1,5 м. Но такие приборы с двумя микрочипами стоят дороже.

ГЛОНАСС разработана специально для российских широт и потенциально способна обеспечить высокую точность, из-за ее недоукомплектованности спутниками реальное преимущество пока на стороне GPS. Плюсы американской системы – это доступность и широкий выбор устройств с поддержкой GPS.

Современные технологии спутниковой навигации обеспечивают определение местоположения с точностью порядка 10-15 метров. В большинстве случаев этого достаточно, однако, в некоторых случаях требуется большее: скажем, автономный дрон, достаточно быстро перемещающийся над земной поверхностью, будет чувствовать себя неуютно в облаке из координат с метровыми погрешностями.

Для уточнения спутниковых данных используются дифференциальные системы и RTK (real-time kinematics) технологии, но до последнего времени подобного рода устройства были дорогими и громоздкими. Последние достижения цифровой техники в лице микрокомпьютера Intel Edison помогли решить эту проблему. Итак, встречайте: Reach – первый компактный высокоточный приемник GPS, очень доступный по цене, и, к тому же, разработанный в России.

Для начала поговорим немного о дифференциальных технологиях, которые позволяют Reach добиться столь высоких результатов. Они хорошо известны и достаточно широко внедрены. Дифференциальные навигационные системы (ДНСС) улучшают точность определения местоположения и скорости подвижных пользователей за счет предоставления данных измерений или корректирующей информации от одной или нескольких базовых станций.

Координаты каждой базовой станции известны с высокой точностью, так что данные измерений станцией служат для калибровки данных расположенных рядом приемников. Приемник может вычислить теоретическое расстояние и время распространения сигнала между собой и каждым спутником. Когда эти теоретические значения сравниваются с данными наблюдений, то различия представляют собой ошибки в принимаемых сигналах. Корректирующая информация (данные RTCM) получается из этих различий.

Точность определения координат с помощью Reach. Обратите внимание на масштаб.

Корректирующая информация может получаться устройством Reach из двух источников. Во-первых от общедоступной сети базовых станций через интернет по протоколу NTRIP (Networked Transport of RTCM via Internet Protocol), реализующего идею, описанную выше, применительно к глобальной компьютерной сети. Во-вторых, с помощью второго Reach, занимающего стационарную позицию вблизи первого и являющегося, таким образом, базовой станцией в терминах ДНСС. Второй вариант предпочтительнее (точность ДНСС сильно падает с увеличением расстояния между приемником и БС) – не случайно в рамках краудфайндинговой кампании на сайте Indiegogo создатели Reach первой позицией предлагают выкупить именно набор из двух устройств.

Спецификации устройства приведены в таблице ниже. Как видим, аппаратно он состоит из 3 частей: компьютера Intel Edison, на котором запущена ОС Linux и RTK софт RTKLIB; GPS-приемника U-blox NEO-M8T и антенны Tallysman TW4721. Обратите внимание, что приемник поддерживает все существующие спутниковые системы: GPS, ГЛОНАСС, Beidou и QZSS. Вся эта совокупность программных и аппаратных компонент обеспечивает впечатляющую точность определения координат: до 2 см!
Кому может пригодиться подобное устройство? Как уже говорилось выше, создателям различной мобильной робототехники, автономной и не очень; причем, учитывая его низкую стоимость (предзаказ $545 за двойной набор и $285 за одинарный) не только профессиональным, но и энтузиастам. Далее, составителям различного рода карт, опять-таки, в том числе и любителям. Ну и просто занудам, желающим знать свое местоположение с точностью до сантиметра.

Создатели Reach, компания Emlid, удачно выступили на сайте indiegogo: меньше чем за месяц собрана почти двойная запрошенная сумма. Значит, проект непременно будет реализован. У вас еще есть время, чтобы сделать предзаказ и оказаться в числе первых, кто получит принципиально новое навигационное устройство. Рассылка товара запланирована на июль.

Случалось ли вам заблудиться и от всей души желать найти простой способ узнать, какой дорогой необходимо идти? Или найти чудесное место для рыбалки или охоты и не запомнить, как можно к нему легко вернуться? А как на счет обнаружить в походе, что сбился с пути, и не знать, как вернуться обратно к лагерю или машине? Возникала ли при полете необходимость определить ближайший аэропорт или идентифицировать воздушное пространство, в котором находились? Возможно, вы сталкивались с проблемой, когда нужно съехать на обочину и уточнить у кого-нибудь направление.

GPS технология стремительно изменяет способ людей прокладывать путь по всей земле. Делается ли это ради забавы, спасения жизни, более быстрого добирания, или еще чего вы только не придумаете, GPS навигация становится с каждым днем все более распространенной.

Что же все-таки такое GPS ?

GPS - Глобальная система навигации и позиционирования. Сеть спутников, которые постоянно передают закодированную информацию, с помощью которой можно точно определить месторасположение на земле путем измерения расстояния до спутников.

Как указано в приведенном выше определении GPS означает Глобальная Система Позиционирования (Global Positioning System), и относится к группе спутников Министерства Обороны США, постоянно вращающихся вокруг Земли. Спутники передают радио сигналы малой мощности, позволяя каждому, у кого есть GPS навигатор, определять свое месторасположение на Земле. Создание этой выдающейся системы было не дешевым и стоило США миллиардов долларов. Текущее техническое обслуживание, включая запуск новых спутников на замену старым, увеличивает стоимость системы. Удивительно, GPS фактически предшествовал появлению персональных компьютеров. Разработчики возможно и предвидеть не могли тот день, когда мы сможем носить маленькие GPS навигаторы весом меньше фунта, которые будут не только сообщать нам, где мы находимся в системе координат (долгота/широта), но смогут даже показывать наше месторасположение на электронной карте с городами, улицами и т.п.

Изначально разработчики думали о военном применении. GPS приемники служили бы целям навигации, дислокации войск и координации артиллерийского огня (среди прочих применений). К счастью, административное решение в 1980г. сделало GPS навигатор доступным также для гражданского применения. Сейчас каждый может оценить преимущества GPS ! Возможности почти не ограничены. Иногда люди спрашивают, можно ли бесплатно использовать эту систему – ДА! (Ну, вообще-то вашей платой стали уплаченные налоги). Так что просто распакуйте свой GPS навигатор, вставьте батарейки и окунитесь в интереснейший мир GPS навигации.

Кто использует GPS ?

У GPS навигатора есть множество применений на суше, в воде и в воздухе. В основном GPS навигатор позволяет вам записывать или задавать точки месторасположения на земле и помогает продвигаться от и к этим точкам. GPS навигатор может использоваться везде, кроме мест, где нет приема сигнала, т.е. внутри помещений, в пещерах, парковках и прочих местах, находящихся под землей, а также под водой.

В воздухе и на воде GPS применяется в основном для навигации, на земле же применение более разнообразно. В различных целях GPS навигаторы используется учеными. Все большую часть своей работы геодезисты проделывают с использованием GPS навигатора, что значительно сокращает затраты на проведение разведывательных работ, а также обеспечивает потрясающую точность. В основном разведывательное оборудование обеспечивает точность до одного метра. Более дорогие системы могут обеспечить точность в пределах сантиметра! В сфере отдыха применение GPS навигатора настолько разнообразно, насколько многочисленны виды отдыха. GPS навигатор становится все популярнее среди туристов, охотников, скалолазов, лыжников и т.д. Если вы увлекаетесь видом спорта или какой-либо деятельностью, где вам необходимо отслеживать свое местоположение, прокладывать маршрут к определенному месту или знать. в каком направлении и как быстро вы движетесь, вы по достоинству оцените все преимущества GPS навигации.

GPS навигация быстро становится привычным делом и в автомобилях. Некоторые встроенные системы обеспечивают поддержку в экстренных ситуациях на дороге – нажатием кнопки передается текущее месторасположение автомобиля в диспетчерский центр. Более совершенные системы могут отображать на дисплее месторасположение машины по электронной карте, позволяя водителям контролировать маршрут движения и искать нужные адреса, рестораны, отели и прочие объекты. Некоторые GPS навигаторы даже могут автоматически создавать маршрут и поочередно выдавать направления движения до указанного пункта назначения.

Чтобы знать, как работает GPS навигация, не надо быть ученым. Все что вам нужно, это немного базовых знаний плюс желание изучить и понять мир GPS навигации. Не позволяйте понятиям вроде "псевдослучайный", "анти-спуфинг" и "псевдокод" запугать вас. Давайте знакомиться и осваивать наилучший инструмент навигации со времен изобретения компасса - GPS навигатор!

3 сегмента GPS

Система NAVSTAR (официальное название GPS в Министерстве обороны США) состоит из космического сегмента (спутники), контрольного сегмента (наземные станции) и пользовательского сегмента (вы и ваш GPS навигатор).

Теперь давайте возьмем три части системы и обсудим их более детально. Так мы сможем ближе рассмотреть, как работает GPS навигация.

Космический сегмент

Космический сегмент, который состоит минимум из 24 спутников (21 активный и 3 запасных) является сердцем системы. Спутники находятся на так называемой "верхней орбите" на высоте около 12 тыс. миль над поверхностью Земли. Функционирование на такой большой высоте позволяет сигналам покрывать бОльшую территорию. Спутники расположены на орбитах так, что GPS навигатор на земле всегда может получать сигналы по меньшей мере от четырех из них в любое заданное время.

Спутники вращаются со скоростью 7 000 миль в час, что позволяет им обходить вокруг земли каждые 12 часов. Они питаются солнечной энергией и рассчитаны приблизительно на 10 лет работы. На случай пропадания солнечной энергии (затмения и прочее) у спутников есть резервные батареи. Также спутники оснащены малыми ракетоносителями, которые корректируют траекторию вращения.

Первые GPS спутники были запущены в космос в 1978г. Полное созвездие из 24 спутников было получено в 1994г., завершив создание системы. Деньги на покупку новых спутников и их запуск для поддержания в последующие годы работоспособности системы входят в бюджет Министерства обороны США.

Каждый спутник передает радио сигналы малой мощности на нескольких частотах (выделенные L1, L2 и др.). Гражданские GPS навигаторы "слушают" частоту L1 1575,42 МГц в сверхвысокой полосе частот. Сигналы проходят "линию видимости", что значит, что они пройдут через облака, стекло и пластик, но не пройдут сквозь большинство твердых объектов, таких как здания и горы.

Чтобы вы смогли получить представление о положении сигнала L1 в радиоспектре, вспомните ваши любимые FM радиостанции, они работают на частотах где-то между 88 и 108 МГц (и звучат намного лучше!). Спутниковые сигналы очень малой мощности, порядка 20-50 Вт. Для сравнения, FM радиостанция около 100 000 Вт. Представьте теперь, как сложно пытаться услышать 50 Вт радиостанцию, передающую на высоте 12 000 миль! Вот почему так важно иметь чистый обзор неба при использовании GPS навигатора.

L1 содержит два "псевдослучайных" (комплексный шаблон цифрового кода) сигнала, Защищенный (Р) код и код гражданского доступа (С/А). Каждый спутник передает уникальный код, позволяющий GPS приемнику идентифицировать сигналы. "Анти-спуфинг" относится к шифрованию Р-кода для предотвращения несанкционированного доступа. Р-код также называют "Р(Y)" или "Y" код.

Основной целью этих закодированных сигналов является возможность вычисления времени прохождения (или времени прибытия сигнала) от спутника до GPS навигатора на земле. Время прохождения, умноженное на скорость света, равно дальности спутника (расстояние от спутника до GPS навигатора). Навигационное сообщение (информация, которую спутники передают GPS навигатору) содержит данные об орбите спутника, системном времени, общем состоянии системы, а также модель задержки сигналов в ионосфере. Спутниковые сигналы рассчитываются с использованием сверхточных атомных часов.

Контрольный сегмент

Контрольный сегмент выполняет то, о чем говорит само его название – "контролирует" GPS спутники, отслеживая их и обеспечивая правильной информацией об орбите и времени. На земле расположено пять контрольных станций – четыре станции слежения и одна станция основного контроля. Четыре станции постоянно получают данные со спутников и затем передают информацию на станцию основного контроля, которая "корректирует" данные спутников и вместе с двумя другими антенными полигонами передает (по восходящему потоку) информацию к GPS спутникам.

Пользовательский сегмент

Пользовательский сегмент включает вас и ваш GPS навигатор. Как уже упоминалось, пользовательский сегмент состоит из туристов, пилотов, охотников, военных и других, кто хочет знать, где находится, где находился или куда направляется.
GPS навигация – Как это работает?

Месторасположение

Теперь расскажем о том, как это работает. GPS навигатор должен знать две вещи, чтобы выполнить свою работу. Он должен знать, ГДЕ находятся спутники (месторасположение) и как ДАЛЕКО они находятся (расстояние). Посмотрим сперва как GPS навигатор знает, где в космосе находятся спутники. GPS навигатор получает два вида кодированной информации от спутников. Один вид информации, называемый "альманах", содержит данные о расположении спутников. Эти данные постоянно передаются и сохраняются в памяти GPS навигатора, так что он знает орбиты спутников и где каждый спутник предположительно должен находится. Данные альманаха периодически обновляются по мере перемещения спутников. Любой спутник может немного отклоняться от орбиты, а наземные станции постоянно отслеживают орбиту, высоту, расположение и скорость спутников. постоянно отслеживают орбиту, высоту, расположение и скорость спутников. Наземные станции посылают данные об орбите на станцию основного контроля, которая, в свою очередь, передает откорректированные данные обратно спутникам. Эти откорректированные данные точного месторасположения спутника называются данными "эфимериса", которые действительны около четырех или шести часов и передаются GPS навигатору в виде кодированной информации.

Таким образом, получив данные альманаха и эфимериса, GPS навигатор всегда знает местонахождение спутников.

Время

Даже если GPS навигатор знает точное положение спутников в космосе, ему все равно необходимо знать, насколько они далеко (расстояние), чтобы определить свое месторасположение на земле. Существует простая формула, говорящая приемнику, как далеко он находится от каждого из спутников:

расстояние от данного спутника равно скорости передаваемого сигнала, умноженной на время, необходимое сигналу, чтобы пройти от спутника до GPS навигатора (Скорость х Время прохождения сигнала = Расстояние).

Вспомните, как вы определяли, насколько далеко от вас гроза, когда были ребенком. Когда вы видели молнию, то считали затем, сколько секунд пройдет, пока раздастся гром. Чем больше насчитали, тем дальше была гроза. GPS навигация работает по такому же принципу, называемому "Время прибытия".

Используя основную формулу для определения расстояния, приемник уже знает скорость. Это скорость радио волны – 186 000 миль в секунду (скорость света), с учетом задержки сигнала при прохождении сквозь атмосферу Земли.

Теперь GPS навигатору необходимо определить временную составляющую формулы. Ответ кроется в закодированных сигналах, которые передают спутники. Передаваемый код называется "псевдослучайным кодом" потому, что похож на шумовой сигнал. Когда спутник генерирует псевдослучайный код, GPS навигатор генерирует такой же код и пытается согласовать его с кодом спутника. GPS навигатор сравнивает два кода, чтобы определить, насколько необходимо задержать (или сместить) свой код, чтобы соответствовать коду спутника. Чтобы получить расстояние время задержки (смещения) умножается на скорость света.

Часы GPS навигатора не отслеживают время с такой точностью, как часы спутника. Включение в состав GPS навигатора атомных часов сделало бы его намного больше и намного дороже! Поэтому каждое измерение расстояния требует корректировки на величину погрешности внутренних часов GPS навигатора. По этой причине измерение расстояния относится к "псевдорасстоянию". Чтобы определить позицию, используя данные псевдорасстояния, необходимо отслеживать и пересчитывать зафиксированные данные минимум с четырех спутников, чтобы погрешность исчезла.

Получение полного круга

Теперь, когда у нас есть и позиция спутника, и расстояние до него, приемник может определить свое месторасположение. Скажем, мы находимся на расстоянии 11 000 миль от спутника. Тогда наше месторасположение будет где-то в условной сфере со спутником в центре с радиусом 11 000 миль. Далее, допустим, что мы находимся на расстоянии 12 000 миль от другого спутника. Вторая сфера будет пересекаться с первой, образуя общую окружность. Если добавить третий спутник, на расстоянии 13 000 миль, будет две общие точки, где пересекаются три сферы.
Хотя возможных позиций две, они сильно отличаются показателями широты, долготы и высоты. Чтобы определить, какая же из двух точек соответствует вашему фактическому месторасположению, GPS навигатору необходимо также указать приблизительную высоту над уровнем моря. Это позволит приемнику рассчитать 2-х координатную позицию (широта, долгота). При наличии четвертого спутника GPS навигатор сможет определить 3-х координатную позицию (широта, долгота, высота). Так, допустим, расстояние до четвертого спутника составляет 10 000 миль. Теперь у нас есть четвертая сфера, пересекающая первые три в одной общей точке.

Данные альманаха

GPS навигатор всегда сохраняет данные о положении спутников. Эти данные называются альманахом. Иногда, когда GPS навигатор долгое время не включается, данные альманаха становятся устаревшими или "холодными". Когда GPS навигатор "холодный", установление связи со спутником может занять больше времени. GPS навигатор считается "теплым", если данные со спутников собраны за последние четыре-шесть часов. Если время установления связи со спутником играет для вас большую роль, то при покупке GPS навигаторов необходимо обращать внимание на время захвата спутника в "холодном" и "теплом" режимах.

Как только навигатор установит связь с достаточным количеством спутников, чтобы рассчитать месторасположение, вы готовы начать GPS навигацию! Большинство GPS навигаторов будут отображать текущие координаты или текущую позицию на электронной карте, которая будет помогать вам в навигации.

Технология GPS навигатора

Большинство современных GPS навигаторов имеют параллельный мультиканальный дизайн. Более старые одноканальные тоже были популярны, но у них была ограниченная возможность постоянного приема сигналов в жестких условиях, таких как густой лиственный покров. Параллельные приемники обычно имеют от пяти до двенадцати схем приема, каждая из которых отвечает за сигнал конкретного спутника, так что можно в любое время устанавливать надежную связь со всеми спутниками. Параллельные приемники быстро захватывают спутники при первом включении, им также нет равных в возможности принимать сигналы спутника в сложных условиях, таких как густая листва или город с высокими зданиями.

Источники погрешностей GPS навигаторов

Гражданский GPS навигатор имеет потенциальную погрешность определения месторасположения как результат совокупности погрешностей от следующих источников:

Задержки ионосферы и тропосферы – Сигнал спутника проходит сквозь атмосферу, и поэтому скорость электромагнитных волн отличается от пресловутой скорости света. Система использует встроенную "модель", которая высчитывает среднее, но не точное, значение задержки.

Отражение сигнала – встречается, когда сигнал перед тем, как достичь приемника, отражается от таких объектов как высотные здания или горы. Это увеличивает время прохождения сигнала, вызывая тем самым ошибку.

Ошибки часов приемника – поскольку не практично устанавливать атомные часы в приемниках GPS навигаторов, имеющиеся встроенные часы могут выдавать очень незначительные временные ошибки.

Орбитальные ошибки – также известны как "ошибки эфимериса", это неточности данных о расположении спутника.

Количество видимых спутников – чем больше спутников может "видеть" GPS навигатор, тем выше точность. Здания, рельеф местности, электронная интерференция, иногда даже густая листва могут блокировать прием сигнала, вызывая ошибки месторасположения или полное отсутствие показаний. Чем чище обзор, тем лучше прием. GPS навигаторы не будут работать в помещении (как правило), под водой или под землей.

Геометрия/затенение спутника – имеет отношение к относительному расположению спутников в любое заданное время. Идеальная геометрия спутников бывает, когда спутники располагаются под тупым углом по отношению друг к другу. Плохая геометрия является результатом расположения спутников на одной линии или в тесной группе.

Намеренное ухудшение сигнала спутника – намеренное ухудшение сигнала министерством обороны США известно как "Избирательная доступность" и предназначено для предотвращения использования с враждебными намерениями GPS сигналов высокой точности. Этим объясняется большинство ошибок. "Избирательная доступность" была отменена 2 мая 2000г. и в данный момент не применяется. Это значит, что вы можете ожидать от GPS навигатора точности в пределах 6 – 12 метров (около 20 – 40 футов).

Точность GPS навигатора может быть улучшена еще больше с применением дифференциального GPS приемника (DGPS), который может работать от нескольких возможных источников, уменьшая некоторые из описанных выше ошибок. Следующий раздел объясняет, что такое DGPS и как это работает.
DGPS – как это работает?

Дифференциальные GPS работают с помощью расположения GPS приемника (называемого контрольной станцией) в месте с известными координатами. Поскольку контрольная станция знает свое точное месторасположение, она может определить ошибки спутниковых сигналов. Станция делает это путем измерения расстояния до каждого спутника с использованием принимаемых сигналов и сравнивает результат с фактическими показателями, рассчитанными на основе известного месторасположения. Разница между измеренным и рассчитанным расстоянием для каждого видимого спутника является "дифференциальной коррекцией".
Дифференциальные коррекции для каждого отслеживаемого спутника форматируются в сообщения и передаются DGPS приемникам. Далее дифференциальные коррекции применяются DGPS приемниками в вычислениях для уменьшения ошибок и улучшения точности. Уровень точности зависит от самого приемника и сходства его "окружающей среды" с условиями, в которых находится контрольная станция, а также его приближенности к станции. Приемник контрольной станции определяет составляющие погрешности и обеспечивает их коррекцию для GPS навигатора в реальном времени. Коррекция может передаваться по FM радиочастотам, через спутник или через маяк береговой охраны США. Обычно точность DGPS составляет 1 – 5 метров (около 3 – 16 футов).

При полете есть одна вещь, которую все мы желаем получить: БЕЗОПАСНОСТЬ. Исключительная информация о месторасположении это ключ к безопасности полета. При дезориентирующих погодных условиях, когда визуальная навигация усложняется или вообще невозможна особое значение приобретает GPS навигация. Знакомьтесь с "Системой Панорамного обзора" или просто WAAS. Так называется сеть из 25 наземных контрольных станций, которые полностью покрывают территорию США, захватывая немного Канады и Мексики. Внедренные FAA (Федеральным Авиационным Агентством США) для целей авиации эти 25 контрольных станций расположены с предельной точностью. Они сравнивают измеренное GPS расстояние с известными значениями. Каждая контрольная станция подключена к базовой станции, которая собирает все коррекционные сообщения вместе и транслирует их через спутник. С помощью WAAS приемники GPS навигаторов могут обеспечивать точность 3 – 5 метров по горизонтали и 3 – 7 в высоту.

Специальная погрешность

Главная причина погрешностей данных в системе GPS больше не является проблемой. Второго мая, 2000 года в 5:05 утра (MEZ) так называемая специальная погрешность (SA) была отключена. Специальная погрешность - это искусственная фальсификация времени в сигнале L1, переданном спутником. Для гражданских GPS приемников эта погрешность вела к менее точному определению координат. (ошибка в приблизительно 50 м. в течение нескольких минут).

В дополнение, полученные данные передавались с меньшей точностью, что означает, что передаваемое положение спутника не соответствует действительности. Таким образом, за несколько часов возникает неточность данных о местоположении в 50-150 м. В те времена, когда специальная погрешность была активна, гражданские GPS приборы имели неточность в приблизительно 10 метров, а в наши дни - 20 или обычно даже меньше. После отключения выборочной погрешности, главным образом, улучшились точность данных о высоте.

Причиной для специальной погрешности была безопасность. Например, террористы не должны обладать возможностью обнаружения важных строительных объектов используя оружие на дистанционном управлении. Во время первой войны в заливе в 1990 специальная погрешность была отключена частично, т.к. американским войскам не хватало военных GPS приемников. Были приобретены 10 000 гражданских GPS приборов (Magellan и Trimble), которые позволили свободно и достаточно точно ориентироваться на пустынной местности. Специальная погрешность была деактивирована из-за широкого распространения GPS системы по всему миру. Следующие два графика показывают, как изменилась точность определения координат после выключения специальной погрешности. Длина границы диаграмм равняется 200 метрам, данные получены 1 мая 2000 года и 3 мая двухтысячного года в период 24 часа каждая. В то время как координаты при специальной погрешности находятся в радиусе 45 метров, то без нее 95 процентов всех точек находятся в радиусе 6.3 метра.

"Геометрия спутников"

Другой фактор, который влияет на точность определения координат - это "геометрия спутников". Геометрия спутников описывает положения спутников друг к другу с точки зрения приемника.

Если приемник видит 4 спутника и все они расположены, к примеру, на северо-западе, то это приведет к "плохой" геометрии. В худшем случае, обнаружение местоположения будет вовсе невозможно тогда, когда все определяемые расстояния будут указывать в одно направление. Даже, если местоположение распознано, погрешность может достигать 100 - 150 м. Если же эти 4 спутника будут хорошо распределены по небесному своду, то точность определяемого местоположения будет гораздо выше. Давайте предположим, что спутники расположены на севере, востоке, юге и западе, формируя углы в 90 градусов относительно друг друга. В данном случае расстояния могут быть измеряются в четырех разных направлениях, что и характеризует "хорошую" геометрию спутников.

Если два спутника находятся в наилучшем положении относительно приемника, то угол между приемником и спутниками равен 90 градусов. Время прохождения сигнала не может быть определенно абсолютно точно, о чем говорилось ранее. Поэтому возможные положения отмечены черными кругами. Точка пересечения (А) двух кругов достаточна мала и обозначена синим квадратным полем, что означает, что определяемые координаты будут достаточно точными.

Если спутники расположены почти в одну линию относительно приемника, то, как видно, на перекрестии мы получим более обширную площадь, а значит и меньшую точность.

Геометрия спутников также во многом зависит от высоких машин или от того, используете ли вы прибор в машине. Если какой-то из сигналов заблокирован, оставшиеся спутники попробуют определить координаты, если это вообще будет возможно. Такое часто может наблюдаться в зданиях, когда вы близко расположены к окнам. Если определение местоположением будет возможным, то в большинстве случаев оно будет не точным. Чем большая часть небосвода загорожена каким-либо предметом, тем становится сложнее определить координаты.

Большинство GPS приемников не только показывают количество "пойманных" спутников, но так же и их положение в небе. Это позволяет пользователю судить, закрывается ли какой-то определенный спутник каким-либо предметом и возникнет ли неточность данных при перемещении всего на пару метров.

Производители большинства приборов дают свою формулировку о точности измеряемых величин, которая в основном зависит от разных факторов. (о которых производитель неохотно говорит).

Для определения качества геометрии спутников в основном используются значения DOP ("разбавление" точности). В зависимости от того, какие факторы используются для вычисления значений DOP, возможны различные варианты:

GDOP (Geometrical Dilution Of Precision); Полная точность; 3D-координаты и время
PDOP (Positional Dilution Of Precision) ; Точность положения; 3D-координаты
HDOP (Horizontal Dilution Of Precision); Горизонтальная точность; 2D-координаты
VDOP (Vertical Dilution Of Precision); Вертикальная точность; высота
TDOP (Time Dilution Of Precision); временная точность; время

HDOP-значения ниже 4 хороши, выше 8 - плохие. HDOP значения становятся хуже, если "пойманные" спутники находятся высоко в небе над приемником. С другой стороны, значения VDOP становятся тем хуже, чем ближе спутники к горизонту, а значения PDOP хороши, когда спутники находятся прямо над головой и еще три распределены по горизонту. Для точного определения местоположения, значение GDOP не должно быть меньше 5. Значения PDOP, HDOP и VDOP являются частью NMEA данных GPGSA.

Геометрия спутников не является причиной погрешности в определении положения, которое может быть измерено в метрах. На самом деле значения DOP усиливает другие неточности. Высокие значения DOP увеличивает другие ошибки больше, чем низкое значения DOP.

Ошибка, которая возникает при определении местоположения из-за геометрии спутников, также зависит от широты, на которой находится приемник. Это показано ниже на диаграммах. Диаграмма слева показывает неточность по высоте (вначале кривая изображена со специальной погрешностью), которая была записана в Вухане (Китай). Вухан расположен на 30.5° северной широты и является наилучшим местом, где совокупность спутников всегда идеальна. Диаграмма справа показывает такой же записанный интервал, сделанный на станции Касей в Антарктике (66.3° южной широты). Из-за не такой идеальной совокупности спутников в этой широте время от времени возникали более грубые ошибки. В дополнение ошибка происходит из-за влияния атмосферы - чем ближе к полюсам, тем больше погрешность.

Орбиты спутников

Хотя спутники и находятся на достаточно четко определенных орбитах, небольшое отклонения от орбит все же возможно из-за гравитации. Солнце и Луна имеют слабое влияние на орбиты. Данные об орбите постоянно корректируются и поправляются и регулярно посылаются приемнику в эмпирическую память. Поэтому влияние на точность определения местоположения достаточно маленькое и если возникает погрешность, то не более 2 метров.

Влияния отражения сигналов

Эффект происходит из-за отражения сигналов спутника от других объектов. Для GPS сигналов этот эффект главным образом происходит в близости больших зданий или других объектов. Отраженному сигналу требуется больше времени, чем прямому сигналу. Ошибка составит всего несколько метров.

Атмосферные эффекты

Другой источник неточности это уменьшение скорости распространения сигнала в тропосфере и ионосфере. Скорость распространения сигналов в открытом космосе равна скорости света, а в ионосфере и тропосфере она меньше. В атмосфере на высоте в 80 - 400 км энергией солнца создается большое количество положительно заряженных ионов. Электроны и ионы сконцентрированы в четырех токопроводящих слоях ионосферы (D-, E-, F1-, и F2-слоях).
Эти слоя преломляют электромагнитные волны, исходящих от спутников, что увеличивает время прохождения сигналов. В основном эти ошибки корректируются вычислительными действиями приемника. Различные варианты скоростей при прохождении ионосферы для низких и высоких частот прекрасно известны для нормальных условий. Эти значения используются при расчете координат местоположения. Однако, гражданские приемники не способны вносить корректировку для непредвиденных изменений в прохождении сигнала, причиной которых могут стать сильные солнечные ветра.

Известно, что во время прохождения ионосферы электромагнитные волны замедляются обратно пропорционально площади их частоты (1/f2). Это означает, что электромагнитные волны с низкой частотой замедляют скорость быстрее, чем электромагнитные волны с высокими частотами. Если сигналы с высокой и низкой частотой, которые достигли приемника, позволили проанализировать разность во времени их прибытия, то время прохождения в ионосфере также будет посчитано. Военные GPS приемники используют сигналы двух частот (L1 и L2) , которые по разному ведут себя в ионосфере, и это позволяет устранить другую погрешность при вычислениях.

Влияние тропосферы - это следующая причина, почему время прохождения сигнала увеличивается из-за преломления. Причинами преломления являются разная концентрация водяного пара в тропосфере, в зависимости от погоды. Данная ошибка не так велика, как ошибка, которая возникает при прохождение, через ионосферу, но она не может быть устранена вычислением. Для исправления этой ошибки при вычислении используется приблизительная поправка.

Следующие два графика показывают ошибку ионосферы. Данные изображенные слева, были получены одночастотным приемником, который не может внести исправить ошибку ионосферы. График справа получен двухчастотным приемником, который может корректировать ошибку ионосферы. Обе диаграммы имеют примерно одинаковый масштаб(Слева: Широта от -15м до +10 м, Долгота -10м до +20 м. Справа: широта от - 12 м до + 8 м, долгота от - 10м до +20м). Правый график показывает более высокую точность.

Используя WAAS и EGNOS можно настроить "карты" погодных условий над различными регионами. Откорректированные данные отсылаются на приемник и заметно улучшают точность.

Неточность часов и округление ошибок

Несмотря на то, что время приемника синхронизируется с временем спутника во время определения положения, все же неточность времени есть, что приводит к ошибки в 2м при определении местоположения. Округление и вычислительные ошибки приемника имеют погрешность примерно в 1м.

Релятивистские эффекты

В данном разделе нет полного объяснения теории относительности. В повседневной жизни мы не осознаем значения теории относительности. Однако, эта теория влияет на множество процессов, среди которых правильное функционирование GPS системы. Это влияние будет коротко объяснено далее.

Как мы знаем, время является одним из главных факторов в GPS навигации и должно быть равно 20-30 наносекундам, чтобы обеспечить необходимую точность. Поэтому необходимо учесть скорость движения спутников (примерно 12000 км/ч)

Кто когда-либо сталкивался с теорией относительности, знает, что время течет медленнее при больших скоростях. Для спутников, которые движутся со скоростью 3874 м/с, часы идут медленнее, чем для земли. Это релятивистское время ведет к неточности во времени примерно в 7,2 микросекунде в день (1 микросекунд = 10-6 секунд). Теория относительности также гласит, что время идет тем медленнее, чем сильнее поле гравитации. Для наблюдателя на земной поверхности часы спутника будут идти быстрее (так как спутник находится на 20 000 км выше и подвергается гравитационным силам меньше, чем наблюдатель). И эта вторая причина этого эффекта, который в шесть раз сильнее, чем неточность о которой говорилось чуть ранее.

В целом, кажется, что часы на спутниках идут немного быстрее. Отклонение времени для наблюдателя на Земле составило бы 38 микросекунд в день и послужили бы причиной ошибки в итоге в 10 км за день. Чтобы избежать этой ошибки нет необходимости постоянно вносить корректировки. Частота часов на спутниках была установлена на 10.229999995453 Mhz вместо of 10.23 Mhz, но данные используют так, как если бы они имели стандартную частоту в 10.23 MHz. Эта уловка решила проблему релятивистского эффекта раз и навсегда.

Но есть и другой релятивистский эффект, который не учитывается при определении местоположения по системе GPS. Это так называемый эффект Сагнака и он вызван тем, что наблюдатель на поверхности Земли также постоянно движется со скоростью 500м/с (скорость на экваторе) из-за того, что планета вращается. Но влияние этого эффекта мало и его корректировка сложна для вычисления, т.к. зависит от направления движения. Поэтому этот эффект учитывается только в особых случаях.

Ошибки GPS системы приведены в следующей таблице. Частные значение не являются постоянными значениями, но являются подчиняются различиям. Все числа - приблизительные значения.