IV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2012

Принцип действия спутниковой GPS-навигации основан на определении расстояния от текущего положения приемника до группы спутников. Точное местоположение GPS-спутников известно. Зная расстояние до трех спутников, можно определить текущее местоположение, как точку пересечение трех окружностей (рисунок 1).

Расстояние до спутников определяется простым уравнением R = t×c, где t - время распространения радиосигнала от спутника до наблюдателя, а с - постоянная величина, равная скорости света.

Чтобы определить момент, в который сигнал был отправлен со спутника, навигационное сообщение модулируется «псевдошумовым» PRN-кодом, соответствующим номеру спутника. Аналогичная последовательность генерируется в GPS-приемнике в строгой временной синхронизации с кодом спутника. Принятый со спутника код сравнивается с кодом приемника, и определяется «как давно» в приемнике была сгенерирована схожая последовательность. Выявленный таким образом сдвиг одного кода по отношению к другому будет соответствовать времени прохождения сигналом расстояния от спутника до приемника. Преимуществом кодовых посылок является то, что измерения временного сдвига могут быть проведены в любой момент времени.

Стоит отметить, что для точного вычисления расстояния часы GPS-приемника и GPS-спутника должны быть синхронизированы с высокой точностью. Но если на GPS-спутниках установлены атомные часы, имеющие очень высокую точность, то в обычных GPS-приемниках используются недорогие кварцевые генераторы, которые имеют существенно меньшую стабильность частоты. Поэтому для вычисления «ухода» частоты кварцевого генератора  при решении навигационной задачи используются измерения параметров сигнала от 4-го спутника.

Информацию о местоположении спутников GPS-приемники получают из передаваемых в навигационных сообщений данных "альманаха" и "эфемерид". "Альманах" содержит информацию о расположение спутников в пространстве, что позволяет при очередном включении GPS-приемника значительно сузить сектор поиска навигационного сигнала и уменьшить время его захвата. Точные координаты спутников вычисляются на основании данных "эфемерид". В отличие от "альманаха", спутник передает только данные своих "эфемерид", поэтому для его использования в подсчете позиции GPS-приемник должен получить полное навигационное сообщение. Ошибки передачи, связанные с плохими окружающими условиями, могут существенно увеличить время фиксации позиции. Наличие в памяти данных "альманаха" и "эфемерид" позволяет GPS-приемнику определять позицию за 1-2 секунды. Этот режим называется «горячим» стартом.

Геометрический фактор определяет относительное расположение GPS-приемника и спутников, используемых в подсчете позиции. Его величина влияет на точность определения позиции. Если все спутники расположены в одном направлении от GPS-приемника, то площадь пересечения всех окружностей будет достаточно большой. Эта площадь характеризует величину неопределенности измерений, влияющих на точность подсчета позиции.

В случае, когда спутники расположены вокруг GPS-приемника, область пересечений окружностей и соответственно величина неопределенностей уменьшаются.

Правительством США был разработан долгосрочный план развития системы GPS. В ближайшие несколько лет планируется вывод на орбиту новых модификации GPS-спутников (GPS-IIF, GPS-III) с новыми военными и гражданскими сигналами (L5, M, L1C). Существенному усовершенствованию подвергнется наземный сегмент системы.

Российское правительство прилагает большие усилия, чтобы восстановить работоспособность ГЛОНАСС. С большими сложностями, но все же, развивается европейская система Galilleo. В апреле был выведен на орбиту уже 5-й спутник китайской системы "Beidou".

Большим шагом в отношениях России и США стало создание универсально чипа GPS-ГЛОНАСС, который может работать с двумя системами.

Литература:

1. http://www.stariy.com/2008/10/15/gps-global-positioning-system-navstar/
2. http://www.gpsportal.ru/articles_info/kategorija-statej-3/chto-takoe-gps