Система спутниковой навигации GPS – принцип, схема, применение
Спутниковая навигация GPS давно уже является стандартом для создания систем позиционирования и активно применяется в различных трекерах и навигаторах. В проектах Arduino GPS интегрируется с помощью различных модулей, не требующих знания теоретических основ. Но настоящему инженеру должно быть интересно разобраться со принципом и схемой работы GPS, чтобы лучше понимать возможности и ограничения этой технологии.
Схема работы GPS
GPS – это спутниковая навигационная система, разработанная Министерством обороны США, которая определяет точные координаты и время. Работает в любой точке Земли в любых погодных условиях. GPS состоит из трех частей – спутников, станций на Земле и приемников сигнала.
Идея создания спутниковой навигационной системы зародилась еще в 50-е годы прошлого столетия. Американская группа ученых, наблюдающая за запуском советских спутников, заметила, что при приближении спутника частота сигнала увеличивается и уменьшается при его отдалении. Это позволило понять, что возможно измерить положение и скорость спутника, зная свои координаты на Земле, и наоборот. Огромную роль в развитии навигационной системы сыграл запуск спутников на низкую околоземную орбиту. А в 1973 году была создана программа «DNSS» («NavStar»), по этой программе спутники запускались на среднюю околоземную орбиту. Название GPS программа получила в том же 1973 году.
Система GPS на данный момент используется не только в военной области, но и в гражданских целях. Сфер применения GPS много:
Тектоника плит – происходит слежение за колебаниями плит;
Определение сейсмической активности;
Спутниковое отслеживание транспорта – можно проводить мониторинг за положением, скоростью транспорта и контролировать их движение;
Геодезия – определение точных границ земельных участков;
Игры, геотегинт и прочие развлекательные области.
Важнейшим недостатком системы можно считать невозможность получения сигнала при определенных условиях. Рабочие частоты GPS лежат в дециметровом диапазоне волн. Это приводит к тому, что уровень сигнала может снизиться из-за высокой облачности, плотной листвы деревьев. Радиоисточники, глушилки, а в редких случаях даже магнитные бури также могут мешать нормальной передаче сигнала. Точность определения данных будет ухудшаться в приполярных районах, так как спутники невысоко поднимаются над Землей.
Основным конкурентом GPS является российская система ГЛОНАСС (глобальная навигационная спутниковая система). Свою полноценную работу система начала с 2010 года, попытки активно использовать ее предпринимались с 1995 года. Существует несколько отличий между двумя системами:
Разные кодировки – американцы используют CDMA, для российской системы используется FDMA;
Разные габариты устройств – ГЛОНАСС использует более сложную модель, поэтому повышается энергопотребление и размеры устройств;
Расстановка и движение спутников на орбите – российская система обеспечивает более широкий охват территории и более точное определение координат и времени.
Срок службы спутников – американские спутники делаются более качественными, поэтому они служат дольше.
Помимо ГЛОНАСС и GPS существуют и другие менее популярные навигационные системы – европейский Galileo и китайский Beidou.
Принцип работы GPS
Работает система GPS следующим образом – приемник сигнала измеряет задержку распространения сигнала от спутника до приемника. Из полученного сигнала приемник получает данные о местонахождении спутника. Для определения расстояния от спутника до приемника задержка сигнала умножается на скорость света.
С точки зрения геометрии работу навигационной системы можно проиллюстрировать так: несколько сфер, в середине которых находятся спутники, пересекаются и в них находится пользователь. Радиус каждой из сфер соответственно равен расстоянию до этого видимого спутника. Сигналы от трех спутников позволяют получить данные о широте и долготе, четвертый спутник дает информацию о высоте объекта над поверхностью. Полученные значения можно свести в систему уравнений, из которых можно найти координату пользователя. Таким образом, для получения точного местоположения необходимо провести 4 измерения дальностей до спутника (если исключить неправдоподобные результаты, достаточно трех измерений).
Поправки в полученные уравнения вносит расхождение между расчетным и фактическим положением спутника. Погрешность, которая возникает в результате этого, называется эфемеридной и составляет от 1 до 5 метров. Также свой вклад вносят интерференция, атмосферное давление, влажность, температура, влияние ионосферы и атмосферы. Суммарно совокупность всех ошибок может довести погрешность до 100 метров. Некоторые ошибки можно устранить математически.
Чтобы уменьшить все погрешности, используют дифференциальный режим GPS. В нем приемник получает по радиоканалу все необходимые поправки к координатам от базовой станции. Итоговая точность измерения достигает 1-5 метров. При дифференциальном режиме существует 2 метода корректировки полученных данных – это коррекция самих координат и коррекция навигационных параметров. Первый метод использовать неудобно, так как все пользователи должны работать по одним и тем же спутникам. Во втором случае значительно увеличивается сложность самой аппаратуры для определения местоположения.
Существует новый класс систем, который увеличивает точность измерения до 1 см. Огромное влияние на точность оказывает угол между направлениями на спутники. При большом угле местоположение будет определяться с большей точностью.
Точность измерения может быть искусственно снижена Министерством обороны США. Для этого на устройствах навигации устанавливается специальный режим S/A – ограниченный доступ. Режим разработан в военных целях, чтобы не дать противнику преимущества в определении точных координат. С мая 2000 года режим ограниченного доступа был отменен.
Все источники ошибок можно разделить на несколько групп:
Погрешность в вычислении орбит;
Ошибки, связанные с приемником;
Ошибки, связанные с многократным отражением сигнала от препятствий;
Ионосфера, тропосферные задержки сигнала;
Геометрия расположения спутников.
В систему GPS входит 24 искусственных спутника Земли, сеть наземных станций слежения и навигационные приемники. Станции наблюдения требуются для определения и контроля параметров орбит, вычисления баллистических характеристик, регулировка отклонения от траекторий движения, контроль аппаратуры на бору космических аппаратов.
Характеристики навигационных систем GPS:
Количество спутников – 26, 21 основной, 5 запасных;
Количество орбитальных плоскостей – 6;
Высота орбиты – 20000 км;
Срок эксплуатации спутников – 7,5 лет;
Рабочие частоты – L1=1575,42 МГц; L2=12275,6МГц, мощность 50 Вт и 8 Вт соответственно;
Надежность навигационного определения – 95%.
Навигационные приемники бывают нескольких типов – портативные, стационарные и авиационные. Приемники также характеризуются рядом параметров:
Количество каналов – в современных приемников используется от 12 до 20 каналов;
Наличие картографической поддержки;
Различные технические характеристики – материалы, прочность, защита от влаги, чувствительность, объем памяти и другие.
Принцип действия самого навигатора – в первую очередь устройство пытается связаться с навигационным спутником. Как только связь будет установлена, происходит передача альманаха, то есть информации об орбитах спутников, находящихся в рамках одной навигационной системы. Связи с одним только спутником недостаточно для получения точного местоположения, поэтому оставшиеся спутники передают навигатору свои эфемериды, необходимые для определения отклонений, коэффициентов возмущения и других параметров.
Холодный, теплый и горячий старт GPS навигатора
Включив навигатор впервые или после долгого перерыва, начинается долгое ожидание для получения данных. Долгое время ожидания связано с тем, что в памяти навигатора отсутствуют либо устарели альманах и эфемериды, поэтому устройство должно выполнить ряд действий по получению или обновлению данных. Время ожидания, или так называемое время холодного старта, зависит от различных показателей – качество приемника, состояние атмосферы, шумы, количество спутников в зоне видимости.
Чтобы начать свою работу, навигатор должен:
Найти спутник и установить с ним связь;
Получить альманах и сохранить его в памяти;
Получить эфемериды от спутника и сохранить их;
Найти еще три спутника и установить с ними связь, получить от них эфемериды;
Вычислить координаты при помощи эфемерид и местоположения спутников.
Только пройдя весь этот цикл, устройство начнет работать. Такой запуск и называется холодным стартом.
Горячий старт значительно отличается от холодного. В памяти навигатора уже имеется актуальный на данный момент альманах и эфемериды. Данные для альманаха действительны в течение 30 дней, эфемерид – в течение 30 минут. Из этого следует, что устройство выключалось на непродолжительное время. При горячем старте алгоритм будет проще – устройство устанавливает связь со спутником, при необходимости обновляет эфемериды и вычисляет местоположение.
Существует теплый старт – в этом случае альманах является актуальным, а эфемериды нужно обновить. Времени на это затрачивается немного больше, чем на горячий старт, но значительно меньше, чем на холодный.
Ограничения на покупку и использование самодельных модулей GPS
Российское законодательство требует от производителей уменьшать точность определения приемников. Работать с незагрубленной точностью может производиться только при наличии у пользователя специализированной лицензии.
Под запретом в Российской Федерации находятся специальные технические средства, предназначенные для негласного получения информации (СТС НПИ). К таковым относятся GPS трекеры, которые используются для негласного контроля над перемещением транспорта и прочих объектов. Основной признак незаконного технического средства – его скрытность. Поэтому перед приобретением устройства нужно внимательно изучить его характеристики, внешний вид, на наличие скрытых функций, а также просмотреть необходимые сертификаты соответствия.
Также важно, в каком виде продается устройство. В разобранном виде прибор может не относиться к СТС НПИ. Но при сборе готовое устройство уже может относиться к запрещенным.
Что не пишут в википедии о глобальных навигационных спутниковых системах
Вдохновлённый серией постов «Теория радиоволн», я решился на аналогичный пост о системах спутникового позиционирования. Я работаю в структуре, которая занимается обеспечением функционирования системы ГЛОНАСС, поэтому постараюсь рассказать о ней и её конкурентах с несколько другой точки зрения. Пост будет именно об их устройстве, попутно хотелось бы развеять несколько мифов.
Постараюсь обойтись без выкладывания прописных истин и сведений, которые любой желающий может почерпнуть в википедии, но порой без них не обойтись, прошу отнестись с пониманием.
Структура систем
Как это работает
Подсистема НКА представляет собой некоторое количество спутников, согласованно движущихся по специально выбранным орбитам. Основное условие при выборе орбит — в любой точке планеты в любой момент времени должно быть видно не менее 4 спутников (почему именно четыре, будет объяснено ниже). На каждом из аппаратов установлены атомные часы — цезиевые, рубидиевые или их комбинация, в зависимости от модификации — синхронизированные с часами на центральном синхронизаторе системы. Синхронизированные — это не значит что они идут синфазно, это значит что известна разница хода часов. Именно центральный синхронизатор и хранит так называемую системную шкалу времени. Наш центральный синхронизатор находится в Подмосковье, американский в Подвашингтонье, что и неудивительно.
Каждый аппарат излучает несущее колебание в двух частотных диапазонах L1 и L2. Все НКА системы GPS излучают на общих частотах, 1575,42 МГц и 1227,60 МГц для L1 и L2 соответственно, а НКА системы ГЛОНАСС излучают на разнесённых частотах, называемых литерами (аппараты, находящиеся на противоположных точках орбиты излучают на одной литере). Разница между литерами составляет 562,5 кГц, для поддиапазона L1 и 437,5 кГц для L2, нулевая литера имеет частоты 1602 МГц и 1245 МГц соответственно.
Несущее колебание модулируется специальной кодовой последовательностью таким образом, что фаза кодового сигнала совпадает с показаниями часов спутника (если кому интересно — модуляция фазовая). В системе GPS каждый аппарат имеет уникальную кодовую последовательность, что позволяет различать их сигналы, несмотря на общую частоту. В ГЛОНАСС же используется частотное разделение, поэтому все аппараты имеют одинаковую кодовую последовательность. Дополнительно сигналы спутников модулируются навигационными сообщениями, которые содержат параметры полиномиальной математической модели движения спутника и модели смещения показаний спутниковых часов относительно системной шкалы времени. 
Структура сигнала космических аппаратов ГЛОНАСС
Навигационные сообщения также содержат параметры ионосферы (позволяет учитывать задержку сигналов в ионосфере), разницу между системной шкалой времени и мировой координированной шкалой времени и много еще всякой другой полезной информации. Упрощенно, подсистема НКА — это сеть синхронизированных, движущихся в пространстве часов, с известными в любой момент координатами.
Наземный комплекс управления — это сеть наземных станций, обеспечивающих определение параметров движения космических аппаратов, параметров хода их часов.На пунктах ведутся измерения параметров вращения планеты, параметров атмосферы, там уточняют характеристики гравитационного поля Земли и обеспечивают хранение мировой системы координат. Функционально в состав НКУ входит немалое количество научно-исследовательских учреждений и лабораторий. Ну и разумеется, именно наземный комплекс все эти данные обрабатывает и закладывает на аппараты, которые уже транслируют их в составе навигационного сообщения.
Наземный комплекс — это и базовые пункты с калиброванными приёмниками, и пункты федеральной астрономо-геодезической сети, и радиоинтерферометры со сверхдлинной базой, и лазерные дальномеры, и множетсво других интересных вещей. Вообще функции наземного комплекса очень разнообразны, его деятельность слишком обширна, чтобы включить её в эту статью. Если кого-то заинтересует — попробую написать статью и об этом.
Сеть станций наземного комплекса управления ГЛОНАСС
Разумеется это сильно упрощенная схема работы навигационных систем, про любой компонент можно рассказывать очень долго. Так что, если кого-то заинтересует, я готов углубиться в любой из аспектов работы ГНСС.
Срыв покровов
Сразу скажу, тут я просто рассмотрю наиболее распространённые вопросы и заблуждения, с которыми сталкиваюсь постоянно. Ну и постараюсь объяснить реальное состояние дел, в меру своей компетентности конечно.
Почему ГЛОНАСС такой плохой?
Наиболее распространенный вопрос.
Начну с того, что ГЛОНАСС не во всём хуже GPS.
Например, в приполюсных областях группировка ГЛОНАСС обеспечивает лучшее покрытие, в силу более оптимальной конфигурации орбитальной группировки. Впрочем в приэкваториальных областях ситуация обратная по той же причине. Ноги растут из военного назначения обеих систем, а военные интересы Советского Союза и США были сконцентрированы именно в этих областях.
Кроме того, частотное разделение сигналов действительно улучшает помехоустойчивость системы ГЛОНАСС. Это же частотное разделение тянет за собой и множество проблем, но факт остаётся фактом — в случае вооружённого конфликта подавить нашу ГНСС будет сложнее.
Сама система непрерывно прогрессирует. Пусть не так быстро как хотелось бы, пусть это сопровождается коррупционными скандалами с какими-то астрономическими суммами, но весь мир признаёт, что ГЛОНАСС стабильно держится на дистанции четырёх-пятилетнего отставания от GPS, и разрыв не увеличивается. Кстати, не надо думать, что GPS сильно дешевле, он тоже стоит чудовищных денег, которые не всегда тратятся как следует.
Так почему же ГЛОНАСС отстаёт? Мало кто знает, что система ГЛОНАСС старше GPS на несколько лет (формально сама система моложе, но её прототипы появились раньше и сама отработка технологии началась раньше). Американцы разумеется наблюдали за её созданием, и создали свою, постаравшись учесть наши ошибки, которые другим способом предугадать было невозможно. Избежав наших системных ошибок, и не останавливая развитие (в отличие от нас, в девяностые вся наша спутниковая группировка едва не оказалась на дне Тихого океана) они превратились из отстающих в опережающих.
Военные коды
Как известно, НКА обеих систем излучают сигналы двух видов: стандартной точности (СТ-код для ГЛОНАСС, C/A для GPS) и высокой точности (аналогично ВТ-код и P/Y-код). СТ-код ГЛОНАСС излучается в обоих частотных диапазонах, а C/A код GPS только в частотном диапазоне L1 (за исключением нескольких НКА новой серии). Сигналы высокой точности излучаются в обоих частотных диапазонах. Различаются эти сигналы кодовой последовательностью, при этом сигналы с кодом высокой точности имеют более широкую полосу, что повышает точность и затрудняет подавление.
Традиционно сигналы высокой точности считаются военными, стандартные сигналы считаются гражданскими. Это только отчасти верно. Кодовая последовательность P-кода и ВТ-кода на данный момент открыта для широкого применения: американцы официально опубликовали свои кодовые последовательности, а заодно и наши (откуда они их узнали, оставим за кадром). Поэтому сейчас любой производитель совершенно свободно может создавать приёмники, принимающие военные сигналы (и создают, вся прецизионная аппаратура принимает все виды сигналов на всех частотах). Особенность в том, что в случае необходимости эти коды меняются по особому алгоритму, разумеется засекреченному. И вот после такой смены кодовых последовательностей только военная аппаратура сможет их принимать, поскольку в неё изначально этот самый алгоритм зашивается.
Более того, в случае необходимости на сигналы стандартной точности накладывается еще и кодирование, которое не мешает принимать эти сигналы, но не позволяет определять положение лучше пары сотен метров в принципе.
Все эти манипуляции могут производиться не глобально, а только над некоторым регионом земного шара, что продемонстрировали американцы во время войны в Ираке, лишив весь Ближний Восток нормального GPS. Аналогично поступали наши во время конфликта с Грузией, что особого резонанса не вызвало, поскольку пользователей ГЛОНАСС в Грузии не сыскать.
Спутниковая система навигации (GNSS)
GNSS – это спутниковая навигационная технология, использующаяся для ориентирования на местности и отслеживания объектов. С ее помощью можно определить координаты независимо от времени суток и погодных условий. Благодаря этой системе всю информацию можно получать без видимых ориентиров за короткое время и с высокой точностью. Спутниковые программы мировых стран работают в рамках ГНСС.
Общая характеристика GNSS
ГНСС, или глобальные навигационные спутниковые системы, передают информацию о расположении, времени и скорости пользующимся определенными приборами пользователям на Земле, в воздухе или космическом пространстве. Чтобы реализовать функции системы, используют спутники, которые выполняют измерение местоположения с точностью до метра.
Предназначение
Изначально технология разрабатывалась для отслеживания военных объектов. Позже для сигнала, получаемого от спутников, нашли применение в обычной жизни. Он облегчает передвижение на земле, в воздухе, водном пространстве. С помощью спутниковых систем выясняют также скорость, направление движения объекта. Еще они обеспечивают определение точного времени.
Функционирование технологии достигается устройствами управления, расположенными на Земле и в космосе. Регулярно специалисты осуществляют оценку точности ГНСС-наблюдений для повышения качества информации.
Принцип работы
Навигационные системы измеряют расстояние от антенны на объекте до спутника, положение которого точно известно. Информация о местонахождении последних внесена в таблицу, которую называют альманахом. Приемник сохраняет данные в памяти и использует их для работы.
Каждый сигнал спутника включает передачу и всего альманаха. Благодаря информации о расстоянии до нескольких спутников и применению геометрических построений оборудование вычисляет положение объекта. Измеряться данные будут с высокой точностью за счет того, что скорость движения радиоволн известна.
Чтобы определить время, которое распространяет радиосигнал, все спутниковые системы излучают сигналы с использованием атомных часов. Они синхронизируются с системным временем. Эта информация позволяет определить координаты антенны.
Основные составляющие
ГНСС состоит из нескольких элементов:
Обзор действующих спутниковых систем навигации
Глобальными спутниковыми системами являются ГЛОНАСС (Россия) и GPS (США). Разработкой технологий занимаются также страны Европы, Китай, Индия. Их основное оборудование не достигло уровня американских систем, но специалисты трудятся над этим.
Спутниковые системы
Это навигационная система США, работающая с 1978 года. Она выполняет позиционирование, навигацию и синхронизацию, состоит из космического, управляющего и пользовательского сегмента. Систему разработало и реализовало Министерство обороны США. Сейчас она доступна и для обычных граждан – им достаточно только купить телефон на ОС «Андроид» или планшет с GPS-датчиком.
Спутники транслируют сигнал с космоса, приемники используют его для вычисления координат и наблюдения за объектом в режиме реального времени. В технологии применяется 32 спутника, которые вращаются по орбите Земли.
ГЛОНАСС
С помощью системы определяют расположение и скорость движения авиации, морского, наземного и космического транспорта. Испытание оборудования и строительство спутников начали в 1995 году, но недостаточное финансирование не позволило ГЛОНАСС обрести глобальный характер.
Полноценное функционирование началось в 2010 году. Сейчас спутники активно взаимодействуют с GPS. Они подключаются к ближайшим объектам, что увеличивает скорость работы, точность.
DORIS
Преимущество технологии – в высокоточном определении орбиты и отслеживании маяков. Это система микроволнового слежения, основанная на принципе Доплера. Цель ее работы – измерения для услуг POD и приложений геодезии. Также она способна в один заход определить координаты орбит, осуществить геофизическое моделирование и позиционирование наземных маяков.
Beidou
Это китайская технология для осуществления геодезических, метрологических и других наблюдений за объектом. Оборудование включает около 38 спутников. Планируется, что на полную мощность система выйдет в 2020 году, поэтому ее характеристики стараются улучшить. Обеспечивает геометрическую сеть GNSS-наблюдений.
Galileo
Использование системы распространено среди обычных граждан и служб стран Европы. Отличие от ГНСС США и России в том, что ее не контролируют национальные военные ведомства. Но допускается возможность использовать сигнал для операций для обеспечения политики безопасности.
К сведению. Регулярно выполняется поверка работы оборудования. Оно обеспечивает точность до метра, а временная погрешность составляет миллиардную долю секунды.
В перечисленных технологиях пользуются различными, чаще национальными, системами координат.
| Навигационная система | Система координат |
| ГЛОНАСС | ПЗ-90 (Параметры Земли 1990 года) |
| GPS | WGS-84 (World Geodetic System) |
| Система координат ГАЛИЛЕО | GTRF (Galileo Terrestrial Referenfce Frame) |
| БЕЙДОУ | CGCS2000 (China Geodetic Coordinate System 2000) |
Региональные спутниковые навигационные системы
Основное преимущество использования спутниковых ГНСС-технологий заключается в повышенной точности определения местонахождения объектов, скорости движения и времени. Существуют также региональные системы:
Планируется создание трех группировок, посадка которых предполагается на геосинхронные орбиты.
Поддержка ГНСС
Чтобы в айфонах и смартфонах функционировала технология ГНСС, в электронных устройствах должны присутствовать приемники определенного типа:
Включение всех измерений технологии ГНСС не занимает много времени, настройка заключается в подключении к микроконтроллеру или системе на кристалле по соответствующему интерфейсу. В автомобилях эту функцию регистрации выполняет тахограф.
Ключевые параметры GNSS-приемников
Расшифровка требуемых показателей возможна после того, как приемник получит данные о:
Оценка характеристик зависит от TTFF. Этот параметр показывает, за какой период времени приемник найдет сигнал от спутника и определит координаты. Если это новое устройство, оно было отключено или длительное время перевозилось, после включения получить необходимые данные сразу невозможно.
Чтоб улучшить этот показатель и повысить эффективность циклического процесса, производители устанавливают возможность скачать и сохранить альманах и эфемериды по беспроводной сети передачи данных. Это занимает меньше времени, чем если извлекать показания из сигналов ГНСС. Скачивание доступно бесплатно.
К сведению. Такие модули потребляют разное количество энергии. Когда устройство находится в фазе поиска спутников, расходует ее больше. Производители пытаются исправить ситуацию за счет периодического перехода конструкции в режим сна.
Встречаются конфигурации с динамическими характеристиками. Например, он помогает узнать показатели ускорения объекта. Эти элементы часто имеют пару приемных каналов. Их число достигает 88.
Методы ГНСС-наблюдений
Расположение по спутниковым системам определяется с высокой точностью до 15 м. Такие показатели связаны с воздействием атмосферных явлений на распространение радиосигнала, уровнем качества кварцевого генератора в приемнике.
Различаются следующие методы наблюдений: абсолютный, относительный. В первом случае положение приемника определяется по пространственной засечке. При этом нужно знать координаты хотя бы 4 спутников, величину псевдодальности. Точность измерений составляет 3–15 м.
При относительном методе (DGPS) для наблюдений используется 2 приемника. Один находится в месте с известными координатами, другой – на определяемом. При этом рассчитывается псевдодальность, поправка передается на ровер. Метод подходит для решения задач в геодезии.
При обоих методах наблюдения используются постобработка, определение координат в реальном времени. В первом случае необходимы ПК, специальная программа. При определении координат в реальном времени обработка осуществляется сразу, в управляющем микропрограммном обеспечении приемника.
Спутниковая навигация играет стратегическую и коммерческую роль. Технология позволяет увеличить национальную безопасность, быстрее обнаружить «вражеские» стороны. Благодаря функциональности таких технологий больше стран занимается собственными устройствами навигации, чтобы не зависеть от других государств.