Преимущества и принцип действия технологии GPS

Под глобальной системой позиционирования или GPS (Global Positioning System) понимают единственную в мире полнофункциональную спутниковую систему навигации. В работе системы участвуют более 25 специализированных спутников, посылающих точные радиосигналы, улавливаемые GPS-приёмниками по всему миру. Подобный приём позволяет определить приёмникам точные координаты месторасположения объекта (широта, долгота, положение над уровнем моря) независимо от погоды, времени суток и находясь в любой точке планеты. 

В наше время без GPS невозможно представить современную навигацию морских судов, транспорта, воздушных судов. К тому же благодаря GPS сегодня можно составить точные карты, следить за изменением ландшафта местности, развивать область телекоммуникации, науку и многие другие области человеческого познания. Сама система была разработана министерством обороны США и находится под его контролем. Несмотря на то, что содержание системы обходится ежегодно в 400 млн. долларов, простые люди могут свободно пользоваться GPS, лишь бы был под рукой ресивер, принимающий подобные сигналы.

Технология GPS используется сегодня во многих сферах человеческой деятельности и различных сферах жизнедеятельности. Прежде всего, для военных нужд. Например, благодаря системе возможно использовать высокоточное оружие с максимальной эффективностью, направлять крылатые ракеты, управлять всевозможными боеприпасами. Спутники системы также на своём борту имеют необходимые приборы, следящие за ядерной активностью Земли, что немаловажно в наше время. 

Конечно, использование GPS в навигации никого не удивишь: систему использует, передвигаясь на машине, на корабле, на самолёте. Систему даже внедряют в уборочные механизмы, которые контролируются компьютером. Переносными приёмниками GPS-сигналов активно пользуются альпинисты и путешественники. Устройства с расширенной функциональностью, принимающие GPS-сигнал, используют для наблюдения за изменением ландшафта территории, передвижениями в районе определённых границ и даже для более точного строительства дорог.

Многие механизмы, требующие высокой синхронизации, также имеют в своём составе элементы GPS-схем. Ведь без высокой синхронизации возрастает вероятность ошибки, а эффективность самих механизмов снижается, что, конечно, критично при выполнении разнообразных задач. В 1980 году GPS-время приравняли к универсальному синхронизированному времени (UTC) или среднему времени по Гринвичу.

Основную цель, которую преследует любой GPS-ресивер (приёмник) – это точное определение собственного расположения на поверхности Земли. Подобное положение определяется с помощью уже упомянутых трёх параметров: широты, долготы и положения над уровнем моря. Но кроме этого ресивер должен определять и точное время в данный момент в контексте синхронизации со спутником. Все перечисленные параметры определяются с помощью трилатерации. Если обобщить, то под этим словом понимают определение положения объекта, используя, по меньшей мере, четыре точки с известными координатами и такими же известными расстояниями от объекта до каждой из этих точек. Но таким образом, если оперировать объективно, определяется не само расстояние, а некая псевдодальность, то есть некоторое первое приближение расстояния. 

Получается, что спутники посылают сигналы, в которых шифруются их собственные координаты и время, то есть точный момент, когда сигнал был отправлен. Эти сигналы принимает ресивер, сначала расшифровывает его, а затем занимается подсчётами: считает орбиту каждого из спутников, а потом высчитывает расстояние до этих спутников. При этом расчёт этого расстояния происходит с учётом задержки времени, с момента отправки сигнала спутником до его получения ресивером. Выходит, что зная время, легко сосчитать и расстояние, которое получится, если умножить полученное время на скорость сигнала. 

Возвращаемся к трилатерации. Итак, ресивером уже были определены 4 положения спутников и 4 расстояния до их самих. Если изобразить 4 сферы с центрами в местах, где располагаются данные спутники с радиусами, которые равны расстоянию до каждого из спутников, то из школьной стереометрии следует, что возможны три варианта: две точки пересечения, одна точка или ни одной точки пересечения. По понятным причинам одной из точек пересечения является сам ресивер, что касается двух точек пересечения, то они возможны, если все спутники лежат в одной плоскости. Тогда одна из точек будет находиться на Земле, а другая симметрична относительности плоскости спутников, то есть располагаться где-то в космосе. Если точка всего одна, то очевидно, что она и является искомой. 

Существует ещё дифференциальный GPS, позволяющий увеличивать точность определения объекта до 1-3 метра в отличие от «стандартной точности» в 4-20 метров. В основе такой системы создание наземной сети стационарных GPS-ресиверов, рассчитывающих свои координаты относительно показаний спутников, а затем сравнивающих эти показатели со своими координатами, известными заранее. Разница транслируется в эфир как FM сигнал. Подобный способ увеличивает точность всех гражданских ресиверов.

Читайте также: