Система GPS в России

Олег Татарников

Как работает GPS

Для чего нужна GPS

Российская GPS-«тусовка»

 

Отмена принудительного «загрубления» гражданских GPS-систем в США

«И тогда главврач Маргулис телевизер запретил…»

 

Мы уже привыкли к тому, что цифровые технологии постепенно проникают в самые разные области человеческой деятельности, и методы решения навигационных задач здесь не являются исключением. Системы космической радионавигации NAVSTAR (Navigation system with timing and ranging — Навигационная система на основе временных и дальномерных измерений) в США и ГЛОНАСС (Глобальная навигационная спутниковая система) в России создавались в первую очередь для координатно-временного обеспечения войск и военной техники. Однако российская система так и осталась засекреченной, и к тому же, в силу трудностей с финансированием, она в настоящее время укомплектована не полностью (так что в дальнейшем мы будем рассматривать только общедоступную американскую систему).

Первый американский спутник был запущен в феврале 1978 года, а активное внедрение спутниковых навигационных методов в гражданскую жизнь началось позднее, лишь 10-15 лет назад, когда и появилась аббревиатура GPS (Global Positioning System — Система глобального позиционирования). Термин «позиционирование» — более широкий по отношению к термину «определение местоположения». Позиционирование помимо определения координат включает в себя и определение вектора скорости движущегося объекта.

За прошедшее с тех пор время система GPS получила распространение по всему миру, а ее приемники стали продуктом массового спроса. Сегодня существует уже несколько тысяч различных моделей GPS-приемников, которые выпускаются сотнями компаний. Области их применения настолько многообразны, что их невозможно охватить в одной статье. Перспективы расширения коммерческого рынка навигационной аппаратуры оказались столь впечатляющими, что американцы начали активно модифицировать систему GPS под гражданские нужды, а недавно, наконец, отменили режим селективного доступа, который специально ухудшал стандартную точность определения местоположения примерно на порядок.

Как работает GPS

В настоящее время в работе находятся 28 спутников, равномерно распределенных по шести орбитам с высотой 20 350 км над поверхностью Земли. Для полнофункциональной работы достаточно 24 спутников в единой сети, расположенных таким образом, чтобы на одной орбите находилось не менее четырех спутников, а плоскости их орбит были бы разнесены по долготе на 60° с наклоном к плоскости экватора 53°. Остальные спутники используются для страховки и замены выходящих из строя сателлитов. Этим достигается повсеместный гарантированный прием сигнала от нескольких спутников в любое время суток. Каждый спутник весит более 900 кг, имеет длину около 5 м (с раскрытыми солнечными батареями) и движется с постоянной скоростью около 3 км/с, совершая два полных оборота вокруг планеты менее чем за 24 часа. Спутники передают сигналы на трех частотах (мощность радиопередатчика — не более 50 Вт). Гражданские GPS-приемники используют частоту L1, равную 1575,42 МГц. Спутник рассчитан на полнофункциональную работу в течение примерно десяти лет. Новые сателлиты изготавливаются и запускаются на орбиту по мере необходимости. Работа всей системы спланирована и профинансирована минимум до 2006 года.

Важнейшими преимуществами GPS перед ранее существовавшими наземными системами навигации являются ее универсальность и независимость от метеоусловий.

Принцип системы глобального позиционирования основывается на определении расстояния до спутника по временной задержке поступающего от него сигнала. Если знать время распространения радиосигнала, то пройденный им путь легко вычисляется посредством умножения его на скорость света.

Какую же информацию передает GPS-спутник? Кроме самих навигационных сигналов и некоторую служебную информацию. Сигнал содержит так называемый псевдослучайный код (PRN, pseudo-random code), эфемериды (точные данные об орбите спутника), прогноз задержки распространения радиосигнала в ионосфере (так как скорость света меняется при прохождении разных слоев атмосферы), а также сведения о работоспособности спутника (так называемый альманах, содержащий обновляющуюся каждые 12,5 мин информацию о состоянии и орбитах всех спутников). Псевдослучайный код служит для идентификации передающего спутника. Все они пронумерованы от 1 до 32, и этот номер виден на экране GPS-приемника во время его работы.

Данные эфемерид необходимы для коррекции при вычислении точного положения спутника (так как из-за неправильной формы Земли его отклонения от «идеальной» орбиты могут быть довольно существенными), к тому же эфемериды содержат такую важную информацию, как состояние спутника (рабочее или нерабочее), текущую дату и время (которое, собственно, и используется для определения местоположения). Данные альманаха позволяют определить, где в течение дня должны находиться все GPS-спутники, чтобы, «поймав» один из них, ваш GPS-приемник быстро нашел и другие. Таким образом, каждый спутник передает сигнал, который, упрощенно говоря, означает следующее: «Спутник такой-то, находящийся там-то, послал сигнал в точное время t».

Портативный приемник GPS-сигналов, представляющий собой по сути небольшой специализированный компьютер, вычисляет по этим сигналам свои координаты с точностью до 10-30 м. Он имеет собственный генератор, работающий на той же частоте и модулирующий сигнал по тому же принципу, что и генератор спутника. Таким образом, по времени задержки между одинаковыми участками кода, принятого со спутника и сгенерированного самостоятельно, можно вычислить время распространения сигнала в пространстве, а следовательно, и расстояние до спутника.

Главной трудностью при измерении времени прохождения радиосигнала является точное выделение момента его передачи со спутника, то есть синхронизация часов на спутнике и в приемнике. Если спутник и приемник имеют расхождение временных шкал всего в одну сотую секунды, то ошибка измерения расстояния составит около 3 тыс. км!

Каждый спутник несет на борту атомные эталоны частоты-времени, обеспечивающие наносекундную точность хода бортовых часов (это, кстати, самое дорогое его оборудование). Понятно, что установить подобный прибор в каждый приемник невозможно. Поэтому для коррекции ошибок в определении координат из-за погрешностей встроенных в приемник часов используется некоторая избыточность данных, необходимых для однозначной привязки к местности.

Базовым методом определения координат GPS-приемника является вычисление расстояния от него до нескольких спутников, расположение которых считается известным (эти данные содержатся в принятом с любого спутника альманахе). Пользуясь этой информацией, можно триангулировать свое местоположение (в геодезии метод вычисления положения объекта по измерению его удаленности от точек с заданными координатами называется трилатерацией).

В идеальном случае, имея сигналы от трех спутников, мы можем определить широту и долготу — это называется двухмерной фиксацией (рис. 1). Если же спутников четыре, то GPS-приемник может определить положение в трехмерном пространстве, то есть указать широту, долготу и высоту. Постоянно отслеживая ваше местоположение в течение некоторого времени, приемник также может рассчитать скорость и направление движения (вектор). Имеются в виду, конечно, так называемые наземная скорость и наземный курс, то есть проекция этого вектора на поверхность Земли.

Однако в реальности все не так просто. Расстояние от точки наблюдения до спутников не может быть вычислено с абсолютной точностью. Погрешность всегда остается: из-за неточной синхронизации часов приемника и спутника, зависимости скорости света от состояния атмосферы, отклонений спутника от орбиты в связи с возмущениями геомагнитных полей Земли и т.д. Поэтому для определения координат приемника привлекаются не три, а минимум четыре или более спутников; при этом точность вычисления высоты над уровнем моря все равно заведомо ниже «наземных» координат.

Для повышения точности измерений спутники запускают на высокие орбиты (около 20 тыс. км), где движение более стабильно и прогнозируется с высокой точностью. Незначительные изменения в орбитах постоянно отслеживаются и корректируются. Слежением за спутниками для определения параметров их орбит (эфемерид) и поправок часов относительно системного времени GPS, а также за прогнозом орбит спутников и их местоположения (прогноз эфемерид), временной синхронизацией часов относительно времени системы и загрузкой навигационных сообщений в бортовые компьютеры спутников занимается наземная система управления и контроля (Operational Control System). Главная станция управления и контроля (Consolidated Space Operations Center) находится в г. Колорадо-Спрингс (США). Центр собирает и обрабатывает данные со станций слежения, вычисляет и предсказывает эфемериды спутников, а также параметры хода часов. Станции слежения ведут постоянные наблюдения за всеми спутниками системы и передают данные об их орбитах в центр управления, где вычисляются уточненные элементы траекторий и поправки спутниковых часов. Указанные параметры вносятся в альманах и передаются на спутники, которые, в свою очередь, отсылают эту информацию всем работающим приемникам. 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.

А для минимизации «природных» источников погрешностей, которых очень трудно избежать, существуют специальные методы. Самые значительные погрешности возникают при задержке радиосигнала в ионосфере (слое заряженных частиц на высоте 120-200 км) и тропосфере (8-18 км) Земли. Величина этих задержек непостоянна и зависит от солнечной активности и погодных условий.

Кроме того, существуют особые схемы обработки сигнала, снижающие ошибки от интерференции (взаимодействия прямого спутникового сигнала с отраженным, что особенно актуально в городах с плотной застройкой). В быту мы встречаемся с этим явлением при появлении раздвоенного изображения на экране телевизора. В случае GPS переотражение возникает при взаимодействии сигнала со зданиями или рельефом местности до того, как он достигнет приемной антенны. Такому сигналу требуется больше времени для достижения приемника, чем прямому. Это увеличение времени заставляет приемник считать, что спутник находится на большем расстоянии, чем на самом деле, что увеличивает ошибку при определении положения. Такие отражения, если они происходят, могут добавить около 5 м к общей ошибке.

И наконец, необходимая временнаґя привязка GPS-приемника требует дополнительных спутников. В случае четырех или более измерений, проведенных с неточными часами приемника, можно исключить относительное смещение времени и «восстановить» его точное значение. Измеряя время прохождения сигнала от большего числа спутников, мы получим «неверные» дальности, которые дадут нам воображаемые сферы, не пересекающиеся в одной точке (рис. 2). Тогда для уточнения дальностей компьютер приемника будет прибавлять ко всем измерениям некоторую константу (временной интервал), пока не найдет решение, при котором все воображаемые сферы пересекаются в одной точке (то есть определит таким образом точное время приемника!).

После отмены американским правительством режима селективного доступа (см. врезку на стр. 99) гражданские приемники могут «привязываться к местности» с погрешностью 3-5 м (высота определяется с точностью около 10 м) при условии одновременного приема сигналов с 6-8 спутников (большинство современных аппаратов имеют 12-канальный приемник, позволяющий одновременно обрабатывать информацию от 12 спутников).

Качественно уменьшить ошибку при измерении координат (буквально до нескольких сантиметров) позволяет режим так называемой дифференциальной поправки (DGPS, Differential GPS). Дифференциальная поправка — это сигнал со специальной стационарной станции. Системы станций DGPS, передающих дифференциальные поправки, развернуты во многих районах Земли и предоставляют как бесплатный, так и платный сервис. В ряде случаев стоимость подписки на услуги дифференциальной коррекции зависит от заказываемого уровня точности. Так, например, Береговая охрана США и Инженерный корпус Армии США передают GPS-коррекции через морские радиобуи. Они работают в диапазоне 283,5-325,0 кГц, и пользоваться ими можно бесплатно. Вашими единственными расходами, если вы захотите прибегнуть к услугам этих служб, будет приобретение DGPS-приемника. Этот приемник подключается к GPS-навигатору с помощью специального кабеля, по которому поправка передается в обычном последовательном виде в формате, называемом RTCM SC-104.

Кроме систем общего пользования часто применяются локальные и корпоративные системы. Например, геодезическая фирма устанавливает радиомодем или сотовый модем, передающий дифференциальную поправку для топографической съемки нужной территории. Платные DGPS-службы обычно работают в УКВ-диапазоне или осуществляют вещание через спутники. Естественно, и в этих случаях вам понадобится специальный DGPS-приемник для приема поправок и передачи их на GPS-навигатор. Цена, как правило, зависит от требующейся точности. Кроме наземных базовых приемников, для дифференциальной коррекции GPS-данных можно использовать спутниковую систему дифференциального сервиса компании OmniStar. Данные для коррекции передаются с нескольких геостационарных спутников компании (правда, пакет услуг OmniStar на территории Европы стоит более 1500 долл. в год).

Есть такие станции и на российской территории. В 1998 году компания «Аэрогеофизика» выиграла тендер, проводившийся Министерством транспорта РФ, на поставку, установку и запуск в эксплуатацию дифференциальной базовой станции под Санкт-Петербургом. В феврале 1998 года первая в России станция DGPS открытого пользования приступила к работе в режиме опытной эксплуатации. Станция передает дифференциальную поправку в формате RTСM SC-104 на частоте 298,5 кГц. Выходная мощность передатчика — 100 Вт, что позволяет осуществлять уверенный прием дифференциальной поправки на расстояниях от базовой станции до 300 км на море и до 150 км на суше. Как заявляет «Аэрогеофизика», этот сервис будет бесплатным. Остается лишь надеяться, что дело не ограничится Петербургом.

Коррекция может осуществляться как в режиме реального времени, так и при «офлайновой» обработке данных, например на компьютере.

В начало

В начало

Для чего нужна GPS

Очевидно, что любой человек, сознательно или инстинктивно, всегда хочет знать, где он находится. В житейских ситуациях он определяет свое местоположение, руководствуясь знакомыми ему ориентирами или адресом населенного пункта. А вот облегчить ему задачу ориентации в незнакомой местности как раз и призвана система GPS.

Сегодня трудно даже перечислить все области применения рассмотренной Системы глобального позиционирования. GPS-приемники встраивают в автомобили, сотовые телефоны и даже в наручные часы! Туристы используют карманные приемники для прокладывания маршрутов и четкого их прохождения. Охотники и рыболовы отмечают координаты заветных охотничьих и рыбных местечек, а автотуристы обмениваются маршрутами с указанием автозаправок.

Ничто не остановит победного шествия GPS. Приемники стремительно уменьшаются в размерах и дешевеют: прибор размером со спичечный коробок уже можно купить сегодня менее чем за 50 долл.; навигационные чипы встраиваются в часы и мобильные телефоны, становятся составной частью автомобильных сигнализаций, которые сами сообщают в полицию местонахождение угнанного автомобиля. В отличие от не получивших широкого применения радиосигнализаций подобная система не требует специальной сети пеленгационных станций — здесь используется обычная мобильная связь. Кроме того, водитель может нажатием одной кнопки подать сигнал о разбойном нападении или о ДТП. Другая кнопка вызывает скорую помощь. В ближайшее время на рынке автоэлектроники ожидается появление целого «маршрутного пакета» — полноценной бортовой навигационной системы с электронными картами российских городов и регионов.

Журнал «Компьютерра» (http://www.computerra.ru/) писал даже о выпуске компанией Applied Solution GPS-чипов, предназначенных для имплантации в тело человека (Digital Angel). Приемники GPS находят применение при решении самых разнообразных задач: геологи в реальном времени следят за малозаметным перемещением участков земной коры, спасатели определяют места катастроф, зоологи делают ошейники с портативными индикаторами и радиопередатчиками для изучения миграции животных, военные строят самонаводящиеся ракеты и бомбы, а экспедиция Национального географического общества США в прошлом году с сантиметровой точностью измерила высоту Эвереста.

Как и многие другие многоцелевые вещи, вошедшие в быт, приемник Системы глобального позиционирования по мере ознакомления с ним демонстрирует массу дополнительных полезных свойств. Он, например, определяет сверхточное время, необходимое, скажем, в научных экспериментах (часы в GPS-приемнике, как мы уже упоминали, корректируются с максимально возможной точностью), замеряет развиваемую при ходьбе или беге скорость, преодолеваемое расстояние, показывает максимальную и среднюю скорость движения на автомобиле (с его помощью, в частности, можно проверить правильность показаний спидометра и одометра) и т.д.

А уж навигация при помощи этой системы упрощается настолько, что создается впечатление полной самодостаточности вашего GPS-помощника. Среди профессиональных «навигаторов» (моряков, летчиков и путешественников) на подходе целое поколение специалистов, не умеющих работать с классическими навигационными приборами.

В начало

В начало

Российская GPS-«тусовка»

Система глобального позиционирования уже давно не является тайной за семью печатями и для наших сограждан. О ней уже неоднократно писал КомпьютерПресс, а также другие компьютерные и автомобильные журналы. Существуют и домен с именем gps.ru (http://www.gps.ru/), и весьма активная конференция на сайте gps.boston.ru (http://www.gps.boston.ru/), где «обитают» немало опытных и знающих людей и где можно обнаружить массу дельной информации о самых разных аспектах глобального позиционирования. Хорошие статьи о GPS вы сможете также найти и на сайте http://www.ixbt.stack.net/, и в онлайновой версии журнала «Компьютерра».

Кроме того, существуют геодезические ресурсы, объясняющие любителям основы картографических премудростей. Так, например, в американской GPS используется World Geodetic System (WGS84) — Всемирная геодезическая система, принятая в 1984 году, а в России (в частности, в российской навигационной спутниковой системе ГЛОНАСС) используется ПЗ90 — система параметров Земли, принятая в 1990 году. Они различаются параметрами земного эллипсоида (геоида), поэтому координаты, используемые в этих геодезических системах, могут расходиться на 100-150 м, и для их совмещения требуется дополнительная «привязка» параметров GPS-приемника. Все это и многое другое уже освоено в российских условиях, и существовавшие когда-то проблемы с картами давно разрешены (несмотря на все наши драконовские запреты).

КомпьютерПресс 1'2001