"РЫБАК РЫБАКА. АИФ" №6 (O87) февраль 2ООЗ

Нередко на рыбалке, охоте, в туристическом походе нам приходится добираться до заветных мест, преодолевая огромное количество препятствий на своем пути: непроходимых чащ, болот, водных преград. Сколько раз приходится переходить огромные поля, леса, переплывать водоемы, менять дороги, нередко приходится делать это в тумане, ночью, в дождь. Не сбиться с дороги, даже пользуясь картой и компасом, бывает трудно даже профессионалам, хорошо разбирающимся в ориентировании на местности.

С РАЗВИТИЕМ ТЕХНОЛОГИЙ в области электроники и телекоммуникации появилась возможность создания электронных приборов, позволяющих определять положение на местности, направление и скорость перемещения, брать азимуты на точки на поверхности земли.

Как и в большинстве высокотехнологических проектов, инициаторами разработки и внедрения системы GPS (Global Positioning System  - система глобального позиционирования) стали военные. Проект спутниковой сети для определения координат в режиме реального времени в любой точке земного шара был назван Navstar (Navigation system with timing and ranging  -  навигационная система определения времени и дальности), а аббревиатура GPS появилась позднее, когда система стала использоваться в гражданских целях. Внедрение этой системы было начато в США в середине семидесятых годов, коммерческая эксплуатация системы в сегодняшнем виде началась с 1995 года.

СОСТАВ СИСТЕМЫ

Система GPS состоит из трех основных компонентов: космического, управления и контроля, пользовательского. Космический компонент представляет собой "созвездие" функционирующих в момент наблюдения спутников. В настоящее время он представлен 28 спутниками; номинально в каждый момент времени имеются 24 работающих спутника, распределенных по шести круговым орбитам. На каждой орбите, таким образом, находится по четыре спутника, плоскости орбит разнесены по долготе на 60 градусов, наклон плоскости орбиты к плоскости экватора составляет 53 градуса. Расстояние до спутников от поверхности Земли  -  20350 км. При такой высоте орбиты период обращения равен половине звездных суток. Это значит, что если сегодня в такое-то время спутник находится в такой-то точке небосклона, то ровно через сутки тот же спутник будет примерно там же. Это позволяет удобно планировать наблюдения. Пользовательский компонент представляет собой совокупность спутниковых приемников по всему миру, находящихся в работе.

Особый интерес представляет собой компонент управления и контроля. Он содержит главную станцию управления и контроля, станции слежения за спутниками и станции закладки информации в бортовые компьютеры спутников. В задачи системы управления и контроля (Operational Control System) входит слежение за спутниками  -  для определения параметров их орбит (эфемерид)  -  и поправок часов относительно системного времени GPS; прогноз орбит спутников и их местоположения на орбитах (прогноз эфемерид); временная синхронизация часов относительно времени системы; загрузка навигационного сообщения в бортовые компьютеры спутников.

Главная станция управления и контроля (Consolidated Space Operations Center) находится в Колорадо-Спрингс (США). Центр собирает и обрабатывает данные со станций слежения, вычисляет и предсказывает эфемериды спутников, а также параметры хода часов. Затем данные передают на одну из трех наземных станций для закладки информации в память бортовых компьютеров. Пять станций слежения за спутниками, равномерно расположенные по всему миру, каждые полторы секунды определяют дальность до всех находящихся над горизонтом спутников.

Данные слежения передаются на главную станцию управления и контроля.

GPS спутники передают два вида данных: альманах и эфимерис. Альманах содержит параметры орбит всех спутников. Каждый спутник передаёт альманах для всех спутников. Данные альманаха не отличаются большой точностью и действительны несколько месяцев. В свою очередь, данные эфимериса содержат очень точные корректировки параметров орбит и часов для каждого спутника, что требуется для точного определения координат. Каждый GPS спутник передаёт только данные своего собственного эфимериса. Эти данные действительны только 30 минут. Спутники передают свой эфимерис каждые 30 секунд. Если GPS был отключён более 30 минут, а потом включен, он начинает искать спутники, основываясь на известном ему альманахе. По нему GPS выбирает спутники для инициации поиска. Когда GPS приёмник фиксирует спутник, он показывает на экране "пустой" столбик силы сигнала. В этот момент ещё идёт процесс сбора данных эфимериса. Когда эфимерис каждого спутника принят, соответствующий ему столбик силы сигнала закрашивается чёрным цветом, и данные, принятые от спутника, считаются подходящими для навигации. Если питание приёмника отключить, а потом снова включить в течение 30 минут, он "поймает" спутники очень быстро, т.к. не надо будет снова собирать данные эфимериса.

Это называется "горячий" старт. Если после отключения прошло более 30 минут, будет произведён "тёплый" старт, и GPS приёмник снова начнёт собирать данные эфимериса. Если GPS приёмник был перевезён (в выключенном состоянии) на несколько сотен километров или внутренние часы стали показывать неточное время, то данные имеющегося альманаха являются неверными. В таком случае навигатору требуется выполнить новый "поиск неба" (переинициализация) для загрузки нового альманаха и эфимериса. Это уже будет "холодный" старт.

Иногда бывает такая ситуация, что GPS приёмник долго не может "поймать" спутники. При этом на экране "Спутники" отображается пустое небо без номеров спутников. Оживить GPS поможет программка GPS Utility. Кроме неё вам потребуется рабочий GPS приёмник. С помощью программы вы можете выкачать альманах из рабочего приёмника в ПК, а потом, подключив "мёртвый" GPS, закачать в него.

Определение координат в системе GPS основывается на измерении расстояний до спутников, находящихся в зоне видимости GPS-навигатора. Происходит это следующим образом. Сначала GPS-навигатор измеряет расстояние до одного из спутников; всем ясно, что приемник при этом может находиться в любой точке на поверхности сферы с радиусом, равным расстоянию до спутника. После этого приемник определяет расстояние до второго спутника и строит вторую сферу с соответствующим радиусом. При этом точка нахождения приемника может находиться уже лишь на окружности, по которой пересекаются две сферы. Чтобы определить более конкретную точку, а точнее  -  две, приемник измеряет расстояние до третьего спутника и строит третью сферу. При этом у нас оказываются две точки пересечения всех трех сфер. Одна из этих точек обычно находится глубоко под поверхностью земли, и компьютер GPS приемника автоматически ее откидывает. Итак, для определения координат, если исключить неправдоподобное решение, трех измерений достаточно. Несмотря на это, требуется еще измерение расстояния до четвертого спутника  -  это необходимо по техническим причинам, мы рассмотрим их ниже.

Теперь рассмотрим принцип измерения расстояния до спутников. Всем известно, что расстояние, пройденное с постоянной скоростью, есть скорость, умноженная на время. Радиоволны распространяются в пространстве со скоростью 300000 км в секунду. Если мы сможем точно указать момент, когда спутник начал посылать свой радиосигнал, и момент, когда приемник его получил, то сможем точно вычислить расстояние до спутника, умножая скорость распространения радиосигнала на время в секундах. Так, свет распространяется очень быстро, наши часы должны быть крайне точными. Система GPS строится с применением совершенного способа измерения времени, основанного на атомном стандарте частоты. Каждый спутник имеет на борту аж четверо атомных часов, что определяет точность бортовых часов спутника до 0,000000001 секунды! Самым сложным моментом было точное определение времени, когда сигнал был сгенерирован спутником. Тут разработчики максимально удачно вышли из этой ситуации: синхронизировали спутники и приемники таким образом, чтобы они генерировали один и тот же код в одно и то же время. Далее код со спутника принимался GPS приемником, и узнавалось, как давно наш приемник сгенерировал такой же код. На этом времени и основывалось вычисление расстояния до спутника. Спутники и приемники генерируют очень сложные цифровые кодовые последовательности. Коды усложняются специально, чтобы их можно было бы надежно и однозначно сравнивать. Коды настолько сложны, что они выглядят как длинный ряд случайных импульсов. В действительности они являются тщательно отобранными "псевдослучайными последовательностями", которые повторяются каждую миллисекунду.

Здесь мы рассмотрели идеальную картину. На самом деле очень трудно синхронизировать атомные часы спутника и внутренние часы приемника, точность которых соответствует кварцевым. Ошибка в одну сотую секунды при измерении времени даст ошибку более чем в километров при измерении расстояния. Именно для устранения этой погрешности нам и требовалось измерение расстояния до четвертого спутника. Если имеется некоторое несоответствие времени на бортовых часах спутника и во внутренних часах GPS приемника, то вместо конкретной точки пересечения четырех сфер мы получим некоторую геометрическую фигуру, и точка нашего местоположения будет находиться где-то внутри нее. Далее компьютер начинает прибавлять или убавлять равные промежутки времени к каждому промежутку времени до тех пор, пока все четыре сферы не пересекутся в одной точке.

Если необходимо выполнять непрерывное местоопределение в реальном масштабе времени, то следует использовать приемник, имеющий, по крайней мере, четыре канала измерений. То есть такой, у которого с каждым из четырех спутников постоянно работает отдельный канал приема и первичной обработки сигналов.

При рассмотрении всех предыдущих моментов мы считали, что точно знаем расположение спутников на небе, и искали свои координаты, используя координаты спутников и расстояния до них. Как же узнать, где находится в космосе спутник, двигающийся с большой скоростью по орбите, равной 0 км? Здесь разработчики системы пошли по очень простому пути. Данная орбита находится полностью вне атмосферы Земли, и все движущееся по ней совершает вполне предсказуемое вращение вокруг Земли: дважды в сутки спутник появляется в одном и том же месте неба. Это позволяет достаточно точно прогнозировать положение любого спутника в любой момент времени. В добавок к этому, наземные станции слежения и управления постоянно корректируют данные о высоте, положении и скорости движения спутников (так называемый альманах) и передают его обратно на спутник. Подробнее мы рассматривали этот вопрос выше.

Теперь хотелось бы рассмотреть те явления, которые вносят погрешности в измерения, сделанные с помощью GPS приемников. Во-первых, это часть нашей атмосферы  -  ионосфера - слой заряженных частиц, расположенный на высоте от 120 до 200 км. Эти частицы существенным образом влияют на скорость распространения света, а следовательно, и на скорость распространения радиосигналов GPS. А это делает невозможными наши вычисления расстояний до спутников, поскольку они построены на предположении о том, что скорость распространения радиоволн строго постоянна. Решение этой проблемы сводится к сравнению времени распространения двух разно-частотных компонент сигнала GPS.

Во-вторых, важной стала проблема "многолучевости". Она возникает, когда сигналы, передаваемые со спутника, многократно переотражаются от окружающих предметов и поверхностей до того, как попадают в приемник. Для решения этой проблемы в компьютер приемника GPS была заложена функция выбора спутников, находящихся в зоне видимости. Заключается она в следующем: из всех спутников, находящихся в данный момент в поле видимости GPS приемника, выбираются те, которые имеют наибольший угол по отношению к приемнику, так как их сигнал имеет самое меньшее количество отражений от посторонних предметов. Сейчас мы рассмотрели основные обстоятельства, уменьшающие точность получения координат с помощью GPS-навигаторов. Небольшое влияние оказывают также различные погодные явление, но их суммарная ошибка редко выходит за ширину обыкновенной улицы.

Далее рассмотрим основные функции GPS приемников, необходимые нам в жизни.

Окончание следует

Виталий МАКСИМОВ