Спутниковая система GPS (Global Position System )

Система состоит из трех частей: космической, наземной и пользовательского оборудования. Космическая часть – это 30 спутников, вращающихся на 6 орбитах, высота орбит 20180 км, период обращения – 12 часов. Мощность спутникового передатчика 50 Вт. Спутники системы способны, передвигаясь заполнять бреши в случае выхода из строя какого либо из спутников. Важным элементом спутника являются атомные часы, рубидиевые и цезиевые, по 4 на каждом. Спутники идентифицируются номером PRN (Pseudo Random Number), который отображается на приемнике GPS Наземная часть состоит из 4 станций слежения, расположенных на тропических островах. Они отслеживают видимые спутники и передают данные на Главную станцию (MCS) управления и контроля на авиабазе в Колорадо _ Спрингс для обработки на сложных компьютерных программных моделях. Эти наборы данных называются эфемеридами. Через наземные станции данные передаются обратно на спутники, а затем спутник передает их приемникам GPS.

Сигналы GPS

Все частоты GPS кратны основной частоте часов спутника, 10,23 МГц. Спутник передает сигналы в диапазонах L1= 1575,42 МГц и L2 = 1227,6 МГц. Сигналы содержат два вида информации: «навигационные сообщения «и «псевдослучайный код «. Код представляет собой последовательность единиц и нулей, на первый взгляд случайную, но изменяющуюся по сложному закону. Псевдослучайный код содержит номер спутника (PRN). Существует два вида кода. Гражданские GPS используют C/A (Coarse Acquisition) – код, передаваемый только на частоте L1. Военные GPS высокой точности используют Р-код (Precise), который передается на двух частотах L1 и L2. Навигационные сообщения включают в себя эфемеридные данные и данные альманаха, данные о времени в системе GPS и коэффициенты для пересчета во всемирное время, ключевые слова к Р-коду и специальные сообщения. Эфемериды – это данные об исправности спутника и параметры его обиты – коэффициенты, с помощью которых приемник вычисляет текущее и будущее положение спутника, используя математическую Кеплеровскую модель. Кроме того, эти сообщения содержат коэффициенты поправки к спутниковым часам и к задержке распространения сигнала в ионосфере для пользователей С/A – кода. Альманах – это данные об эфемеридах и состоянии остальных спутников в системе (хранится в памяти приемника). Благодаря этим данным судовой ПИ знает, где находятся все спутники системы, даже когда он их не видит, и какие спутники лучше использовать для определения места судна.

Как приемник GPS определяет свое положение?

Система GPS использует способ определения по дальности до ориентиров – спутников, определяемой с помощью псевдослучайного кода. Для этого судовой ПИ генерирует свой внутренний код в то же самое время, чтобы он точно дублировал код спутника. Приемник сравнивает разницу во времени между приемом соответствующей части спутникового кода с такой же частью своего кода. Зная сдвиг по времени и скорость распространения радиоволн приемник получает расстояние до спутника, называемое псевдодальностью, и по двум расстояниям может определить свое точное положение. Почему «псевдо»? Проблема в том, чтобы убедиться, что псевдослучайные коды приемника и спутника сгенерированы одновременно, Со стороны спутника тут сложности нет. Часы спутника точные и корректируются по сигналам с Земли, Часы приемника менее точны, кроме того, задержки распространения сигнала в ионосфере, тропосфере и т. д. создают суммарную ошибку. Для ее исправления GPS использует измерение дальности от третьего спутника. При определении двухмерных координат по двум окружностям равных расстояний приемник не знает находится ли он на самом деле на них или нет. Например, если часы приемника отстают, истинная позиция будет ближе, но в каждом случае пропорционально ближе к каждому из спутников. Вводя линию положения от 3 – го спутника, можем получить однозначный результат. Приемник GPS имеет программу, которая берет информацию для трех линий положения и решает ее алгебраически. Эти вычисления дают решение трёх уравнений для трёх неизвестных: долготы, широты и ошибки часов. Поэтому для определения двухмерных координат необходимы как минимум 3 спутника, 4 – для трехмерных.

Ошибки GPS.

Пользователя GPS интересует реальная точность системы: другими словами, насколько близко можно пройти от какой-то навигационной опасности, полагаясь только на приёмник GPS. Однозначного ответа не существует. Это связано со статическим характером ошибки GPS. 1. Режим S/A. В мирное время добавляют ошибку в несколько десятков метров; в особых случаях могут вводиться ошибки в сотни метров. Достигается это путем хаотического сдвига времени передачи псевдослучайного кода. Ошибки, возникающие от S/A, случайные и равновероятные в каждую сторону. S/A влияет также на точность курса и скорости по GPS. По этой причине неподвижный приемник часто показывает слегка изменяющиеся скорость и курс. 2. Задержки распространения радиоволн в ионосфере и тропосфере. Скорость радиоволн постоянна в пустоте, но при входе сигнала в атмосферу она изменяется. Для сигналов от разных спутников задержка различна. Ошибки распространения радиоволн зависят от состояния атмосферы и высоты спутника над горизонтом: чем ниже спутник, тем больший путь проходит его сигнал через атмосферу и тем больше искажения. Большинство приёмников исключают использование сигналов от спутников с возвышением над горизонтом менее 7,5⁰. Ещё атмосферные помехи зависят от времени суток: после захода солнца плотность ионосферы и её влияние на радиосигналы уменьшается. 3. Влияние отражённого сигнала (Multypath). Кроме прямого сигнала от спутника приемник может также принять сигналы, отражённые от скал, зданий, проходящих судов. Если прямой сигнал закрыт от приёмника надстройками или такелажем, отражённый сигнал может быть сильнее. Этот сигнал проделывает более длинный путь и приёмник «думает», что находится дальше от спутника, чем на самом деле. Эти ошибки много меньше 100м, поскольку только близко (менее 15м) расположенные предметы способны дать достаточно сильное эхо. 4. Спутниковая геометрия. Зависит от расположения относительно приёмника спутников, по которым определяется место судна. Если приёмник «поймал» четыре спутника, и все они находятся на севере, то спутниковая геометрия плохая. Результат – ошибка до 90 – 150м. или невозможность определения координат. (Все четыре измерения – из одного и того же направления, область их пересечения, слишком велика). С теми же 4-мя спутниками точность намного возрастает, если они равномерно расположены по сторонам горизонта. В этом случае, даже с S/A, точность достигает 30м. и выше. Спутниковая геометрия измеряется фактором PDOP (Position Dilution Of Precision) или HDOP (Horizontal Dilution Of Precision). Идеальному расположению спутников соответствует PDOP=1; большие значения говорят о плохой спутниковой геометрии. PDOP используется как множитель для других ошибок. Каждая измеренная приемником псевдодальность имеет свою погрешность, зависящую от атмосферных помех, ошибок в эфемеридах, S/A, отраженного сигнала и т. д. Так, если предполагаемые значения этих ошибок в сумме составляют 50м. и PDOP = 1,5, то ожидаемая ошибка определения места будет 75м. Приёмники GPS по разному представляют информацию для оценки точности с использованием PDOP. Кроме HDOP используется GQ (Geometric Quality, величина обратная HDOP) или качественная оценка в баллах. Многие современные приёмники показывают EPE (Estimated Position Error – ожидаемую ошибку позиции) непосредственно в единицах дистанции. ЕРЕ учитывает расположение спутников и прогноз погрешности сигналов для каждого спутника в зависимости от S/A, состояния атмосферы, ошибки спутниковых часов, передаваемой в составе эфемеридной информации. Хорший приёмник GPS показывает не только, какие спутники используются, но и где они находятся (азимут и возвышение над горизонтом),так что можно определить, затруднён ли приём данного спутника.

Влияние различных факторов на точность GPS (днём, для PDOP = 1)

1. Ионосферная рефракция (20 – 30м. днём, 3 – 6м. ночью). 2. Тропосферная рефракция (1 – 3м.) 3. Ошибки спутниковых часов (2м.) 4. Ошибки эфемеридных данных (4м.) 5. Отражённый сигнал (1 – 3м.) 6. Собственные шумы приемника (0,6м.) 7. Помехи «выборной доступности» (30м.) Большую часть времени GPS обеспечивает высокую точность, в пределах нескольких десятков метров, что вполне достаточно для навигации в обычных условиях. Но для пользователя важно, что в отдельные моменты возможны ошибки отклонения до кабельтова и больше. Вероятность таких ошибок крайне мала, но пренебрегать ею не следует. Всегда рекомендуется пользоваться более чем одним средством навигации. Принимая решение о степени доверия к показаниям GPS, можно учесть следующие признаки. 1. Информация приёмника о расположении спутников. Максимальные ошибки возможны при неблагоприятном сочетании наибольших значений факторов, влияющих на точность и, в первую очередь, спутниковой геометрии.(на Вашем приёмнике, обычно показывавшем ЕРЕ 20 – 40м. появилось 60м. и более). 2.Видимость неба над антенной приёмника. 3. Изменение позиции GPS за предшествующий период (прокладка, выполняемая в крупном масштабе) 4. Соответствие курса и скорости по GPS показаниям компаса и лага. 5. Наличие предметов, отражающих сигнал. Необходимо помнить, что координатные системы карт (Map Datum) связаны с разными моделями земного эллипсоида, используемыми при построении карт в различных странах. Разница может достигать 500м. При работе с GPS надо учитывать это и делать соответствующие поправки. Максимальная ошибка навигации с использованием GPS суммируется из максимальных ошибок всей цепочки: спутники – приёмник – штурман – карта – штурман.