Разработка системы глобального позиционирования GPS началась в декабре 1973 года Военно-Воздушными Силами США. Разрабатываемая система спутниковой навигации была названа NAVSTAR (NAVigation Satellite Providing Time and Range), что в переводе означает "навигационная спутниковая система, обеспечивающая измерение времени и местоположения". Изначально GPS использовалась для высокоточного и не зависимого от погоды определения местоположения объектов в космосе, на суше и на море в интересах армии США. Непосредственная реализация системы началась в 1978 году с запуском первого спутника. "Детство" у системы GPS было трудное. В то время уже существовали хорошо разработанные навигационные технологии. Попытки введения новой системы навигации подразумевали, помимо всего прочего, широкомасштабную переподготовку в войсках, что наталкивалось на консерватизм военных. Вначале командный состав ВВС просто отказывался применять GPS, ссылаясь на ее чрезмерную дороговизну.Руководство военно-морского флота США также было против внедрения новой спутниковой навигационной программы, предпочитая довольствоваться существующими испытанными методиками. Серьезным ударом по GPS стала трагическая гибель отклонившегося от курса южнокорейского "Боинга-747", сбитого советским истребителем над Татарским проливом. На том самолете была установлена именно такая навигационная система. Под давлением этих обстоятельств Пентагон отказался от полномасштабной поддержки спутниковой группировки и, чтобы ее как-то спасти, GPS была рассекречена. Благодаря коммерческому интересу гражданских разработчиков система стала стремительно совершенствоваться и развиваться. Здесь можно провести аналогию с Интернетом, который после передачи технологий коммерции довольно быстро завоевал весь мир.С 1983 г. система GPS открыта для использования в гражданских целях, в 1989 году был произведен запуск спутников нового поколения. Первые 11 спутников были предназначены для того, чтобы апробировать систему и показать реальность выполнения задачи. С 1991 г. сняты ограничения на продажу GPS-оборудования в страны бывшего СССР. В 1993 г. система была полностью развернута. По оценкам некоторых специалистов, объем продаж устройств GPS в 1997 году превысил 3 миллиарда долларов, причем всего 90 миллионов приходились на военный сектор. В настоящее время во всем мире более двухсот фирм (в частности, Magellan Systems, Motorola, Rockwell, Honeywell и др.) выпускают сотни тысяч устройств различных классов, использующих технологию GPS, в том числе недорогие малогабаритные приборы, которые реализуют возможность применения GPS-навигации во многих областях человеческой деятельности.

Состав системы GPS

Система GPS содержит в себе три фундаментальных составляющих.

1. Космический сегмент представляет собой 24 спутника, находящихся на 6 различных круговых орбитах, которые расположены под углом 60 градусов друг к другу. Спутники движутся по орбитам радиусом 22 200 километров со скоростью 11 тысяч километров в час и совершают один оборот вокруг Земли за период, приблизительно равный 12 часам. Все они ежедневно повторяют свою траекторию с "опозданием" в 4 минуты. Вес каждого спутника около 900 кг, размер более 5 м, включая солнечные батареи. На каждом спутнике установлены атомные часы, обеспечивающие высокую точность ( 10-9 сек ), вычислительное кодирующее устройство и передатчики мощностью 50 Вт и 8 Вт, излучающие на частотах L1 = 1575,42 МГц и L2 = 1227,60 МГц.В идеале в любой момент времени любая точка земного шара находится в зоне видимости не менее трех спутников. Спутники можно "увидеть" даже на полюсах, правда они будут находиться низко над горизонтом, что влияет на точность измерений, но несущественно.Справедливости ради стоит отметить, что есть все же "темные" области в высоких широтах, где одновременно может быть не более 2 спутников, что не позволяет определять координаты и нарушает работу приемника GPS. Однако такое положение дел длится лишь от 15 до 45 минут в остальном, система навигации GPS действительно глобальна.

2. Наземный сегмент контролируется Министерством обороны США. Он состоит из пяти контрольно-измерительных станций, которые находятся на Гавайях, на Кваджалейне, на острове Вознесения, в Диего-Гарсия и Колорадо-Спрингс, четырех станций связи и центра управления всей системой, расположенного на авиабазе в Шривере, штат Колорадо.

Станции слежения непрерывно контролируют движение космических аппаратов и передают данные в центр управления. В центре вычисляют уточненные элементы спутниковых орбит и коэффициенты поправок шкал времени. Эти данные поступают по каналам станций связи на спутники не реже, чем один раз в сутки.

3. GPS-приемник - третий сегмент системы навигации, который позиционируется и позволяет вычислять географические координаты на основе полученных данных.

Как работает GPS

В основе работы системы GPS лежит принцип спутниковой трилатерации. Согласно этому принципу, координаты объекта на поверхности Земли могут быть вычислены по измерениям расстояний до спутников. Поскольку положение КА в пространстве известно и расчетные значения параметров своих орбит спутники передают вместе с дальномерным кодом, то для объекта на поверхности Земли спутники являются пунктами с известными в любой момент времени координатами.

Если расстояние от одного КА известно, тогда можно описать сферу заданного радиуса вокруг него. Например, если до спутника 22 000 километров, то мы находимся где-то на воображаемой сфере радиусом 22 000 километров. Если известно расстояние до двух КА, то искомая точка местоположения будет находиться на окружности, представляющей собой пересечение двух сфер. Следовательно, круг нашего поиска существенно сузился. Получив сигнал от третьего спутника мы получаем третью сферу, пересечение которой с окружностью дает две точки. Остается только выбрать правильную точку. Обычно одна из точек - это неправдоподобное решение, т.к. она находится или внутри Земли, или слишком высоко над поверхностью, или движется слишком быстро. Вычислители GPS-приемников снабжены различными устройствами, автоматически определяющими истинное местоположение из двух возможных.

Таким образом, получив сигнал как минимум от трех спутников, мы можем вычислить координаты любой точки вблизи поверхности Земли.

Чтобы проводить столь качественные вычисления, необходимо пользоваться очень точными часами, ведь расхождение во времени всего в 1 тысячную долю секунды даст ошибку местоположения около 300 км. На борту спутников установлены атомные часы. Каждый спутник имеет их в количестве 4, чтобы можно было гарантировать, что хотя бы одни работают обязательно. Способ измерения времени основан на атомном стандарте частоты, который обеспечивает ход бортовых часов спутника с наносекундной точностью. А это 0,000000001 секунды!

Большинство GPS-навигаторов способны принять сигнал одновременно от 12 спутников. Этого более чем достаточно для решения большинства задач. Однако в настоящее время в продаже появились 14- и даже 18-канальные приемники. Но одновременно принять сигнал даже от 12 спутников очень сложно. Для этого необходимо находиться на открытом месте, причем само спутниковое созвездие (то есть положение спутников на небосклоне) должно быть благоприятно. Принять же сигнал сразу от 18 спутников в настоящее время просто невозможно, так как часть из них скрыта и находится по другую сторону земного шара.

Где используется GPS

Очень сложно перечислить сферы деятельности человека, в которых уже используется и будет использоваться технология глобального позиционирования. Их великое множество.

Прежде всего GPS разрабатывалась и сейчас используется в военных целях. Военные и некоторые гражданские авторизованные пользователи имеют определенные преимущества в использовании GPS, т.к. их приемники принимают сигнал на частоте L2, который модулируется с помощью P(Y) кода. Ключи, которые используют коды Р(Y), являются государственной тайной правительства США и используются только в военных целях. При использовании таких навигаторов повышается точность определения координат, в частности, за счет учета искажений, вносимых ионосферой Земли.Военное применение сигналов GPS позволяет улучшать контроль вооруженных сил посредством точного наведения оружия или армии на цель. Сигналами GPS могут пользоваться все желающие. Однако при этом стоит учитывать, что может применяться частичное кодирование, глушение или изменение сигнала в определенном месте, например, в зоне войны во имя военных целей, что не позволит использовать систему в полной мере.

Морская и авиационная навигация. На сегодняшний день системы навигации на базе GPS широко используются на больших и малых морских судах, на коммерческих и любительских самолетах. Благодаря разработкам компании ACSA (Advanced Concept and System Architecture), систему GPS стало возможным использовать не только на поверхности, но и под толщей воды.Таким образом, сфера применения GPS-приемников расширилась. Теперь их можно использовать для выполнения подводных работ. На океанском дне GPS необходима для поисков затонувших кораблей или выполнения других технических операций, на суше применение навигационных устройств не менее важно.

Особое место занимает GPS в работе спасательных служб, позволяя существенно сократить затраты, связанные с поисковыми работами. К тому же, GPS помогает экономить время - ценнейший фактор при спасении людей. Устройства, которыми пользуются службы спасения, обеспечивают точность до 1 м. Более дорогостоящие модели могут установить координаты с точностью до нескольких сантиметров.

Персональная навигация. Имея персональный GPS-навигатор, любой человек может использовать систему глобального позиционирования в своих личных целях. Можно определить свое местоположение на местности, выяснить, как пройти или проехать к месту назначения, как отыскать конкретный объект или адрес. Персональной навигацией пользуются любители активного отдыха - рыболовы, охотники, туристы, велосипедисты, альпинисты и другие.

Научные цели. Достаточно интересным является использование GPS учеными и исследователями в качестве источника точного времени. Действительно, определение времени прохождения радиосигнала лежит в основе самой идеи GPS. С этой целью внутренние часы приемника постоянно синхронизируются с прецизионными атомными часами, установленными на спутниках. Это позволяет обеспечить точность измерения времени от микро- до наносекунд. Поэтому при проведении научных экспериментов становится возможным повсеместно иметь абсолютно точные отметки времени. Нельзя конечно забывать, что и информация о положении в ряде экспериментов тоже может представлять интерес.

Охранные системы. Современные автомобильные охранные системы все чаще дополняются функцией GPS, позволяющей совместно с технологией беспроводной связи получать информацию о местоположении охраняемого транспортного средства. Спутниковые охранно-поисковые системы гарантируют не только эффективную защиту автомобиля от угона, но и высокую результативность поисков угнанной машины.

Системы мониторинга автотранспорта

Установленные на автомобилях GPS-навигаторы позволяют осуществлять мониторинг их передвижения, прокладывать оптимальный маршрут следования в целях экономии топлива и контроля за работой водителей. С помощью такой системы можно контролировать перемещение грузов и всегда иметь информацию о том, как скоро ожидаемый груз доедет до точки назначения.

В настоящее время производятся специализированные миниатюрные GPS-навигаторы, которые можно прикреплять к ошейникам домашних животных, что дает возможность выяснить их местоположение в любой момент времени. Также GPS-навигаторы могут использоваться и для контроля за детьми.

Спорт и игры. Широкое распространение приемников GPS привело к появлению спортивной спутниковой навигации, соревнований по ориентированию на автомобилях и игры геокэшинг (поиск кладов и тайников по известным координатам).

Погрешности GPS

Какой бы совершенной ни была система глобального позиционирования, существует ряд погрешностей, которые не позволяют определить местоположение абсолютно точно. Рассмотрим каждую в отдельности.

1. S/A режим - Selective Availability (Избирательный Доступ). Несколько лет назад Министерство обороны США намеренно вносило искусственные ошибки в навигационные данные, передаваемые со спутников. При активированном S/A режиме величина среднеквадратического отклонения определения местоположения составляет примерно 30 м. Этот режим был отключен 1 мая 2000 года по распоряжению Билла Клинтона.

2. Ионосферные и атмосферные задержки сигналов. Использование системы GPS построено на предположении, что скорость распространения сигнала от спутников постоянна и равна скорости света. Однако на самом деле это условие выполняется только в вакууме. При прохождении радиосигналом ионосферы Земли слоя заряженных частиц на высоте от 120 до 200 км возникают задержки, которые делают невозможными точные вычисления расстояний до спутников. Задержки распространения сигналов при их прохождении через верхние слои атмосферы приводят к ошибкам порядка 20-30 м днем и 3-6 м ночью.

Существуют два метода коррекции погрешности, вносимой ионосферой. Во-первых, можно предсказать, каково будет типичное изменение скорости в обычный день при средних ионосферных условиях, а затем ввести поправку во все наши измерения. Но, к сожалению, не каждый день является обычным.

Другой способ состоит в сравнении скоростей распространения двух сигналов на двух частотах. Этот метод корректировки достаточно сложен, кроме того, он, как мы помним, доступен только военным и авторизованным гражданским пользователям системы GPS, поскольку сигнал на второй частоте L2 передается в закодированном виде. Закрытие доступа к P-коду не позволяет двухчастотному приемнику, работающему с таким кодом, определить ионосферную задержку в реальном времени, и решение задачи определения координат становится более грубым.

После того, как сигналы от спутников пересекли ионосферу, расположенную очень высоко, они входят в атмосферу, в нижней части которой (в тропосфере) также возникают искажения и задержки, обусловленные различным содержанием водяных паров. К счастью, их вклад в погрешность достаточно мал.

3. Ошибки атомных часов и другие погрешности. Как бы ни были точны атомные часы на спутниках, все равно они являются источниками небольших погрешностей. Наземные станции постоянно следят за этими часами и могут корректировать их ход, если в этом возникает необходимость.

Приемники на Земле также иногда ошибаются. Компьютер приемника может округлить математическую операцию или электрические помехи могут привести к ошибочной обработке псевдослучайных кодов.

4. Экранирование и отражение спутникового сигнала. При использовании GPS-приемника в сложных для приёма сигнала условиях (среди высоких зданий, в горах или в глубоких ущельях) точность позиционирования будет ухудшаться. Если сигналы от некоторых спутников оказываются экранированны, то точность определения местоположения будет зависеть от оставшихся в поле приёма сигнала спутников. Если неэкранированными останутся менее трех спутников, то местоположение определить вообще будет невозможно. Кроме того, сигналы могут отражаться от высотных объектов, при этом отраженному сигналу требуется больше времени для достижения приемника. Приемник "думает", что спутник находится на большем расстоянии, чем на самом деле. Однако из-за большой скорости распространения радиоволн, которая равна скорости света, подобная ошибка невелика - она составляет не более 5 м.

5. Эфемероидная погрешность. Ошибки обусловлены расхождением между расчетным положением GPS-спутника, которое устанавливается по данным навигационного сигнала, передаваемого с борта спутника, и его фактическим положением. Значение погрешности обычно не больше 3 м. Станции слежения постоянно ведут наблюдение за всеми спутниками GPS-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, а те, в свою очередь, отсылают эту информацию всем работающим GPS-приемникам.

6. Статистическая погрешность определения расстояния до спутников. Она вычисляется для конкретного спутника и заданного интервала времени. Ошибка не коррелированна с другими видами погрешностей. Величина обычно не превышает 10 м.

7. Геометрический фактор. Поскольку измерение расстояния до спутников всегда сопряжено с рядом погрешностей, воображаемые сферы и окружности на их пересечении (см. как работает GPS) получаются не геометрически точными, а размытыми. В зависимости от угла между направлениями на спутнике область пересечения таких размытых окружностей (область неопределенности местоположения) может иметь вид от небольшого квадрата до весьма вытянутого четырехугольника. Поэтому, чем больше угол между направлениями на разные спутники, тем точнее измерения. Хорошие приемники всегда выбирают из всех доступных спутников те, геометрия расположения которых дает наименьшую неопределенность.

Все перечисленные выше погрешности суммируются и придают каждому GPS-измерению некоторую неопределенность. Типичная погрешность при использовании большинства обычных навигаторов составляет 18-30 метров, в наихудших случаях до 60 метров, а при включенном S/A- режиме до 100 метров.

Точность определения местоположения может быть значительно повышена путем использования дифференциальной коррекции.

В некоторой точке, контрольной станции, с известными координатами устанавливается GPS-приемник. Поскольку контрольная станция знает свое точное месторасположение, она может определить ошибки спутниковых сигналов. Это делается путем измерения расстояния до каждого спутника с использованием принимаемых сигналов. Результат сравнивается с фактическими показателями, рассчитанными на основе известного месторасположения. Разница между измеренным и рассчитанным расстоянием для каждого видимого спутника является "дифференциальной коррекцией".

Дифференциальные коррекции для каждого отслеживаемого спутника форматируются в сообщения и передаются DGPS приемникам. Далее дифференциальные коррекции применяются DGPS приемниками в вычислениях для уменьшения ошибок и улучшения точности. Уровень точности зависит от самого приемника и сходства его "окружающей среды" с условиями, в которых находится контрольная станция, а также его удаленности от станции. Коррекция может передаваться на FM-частотах, через спутник или через маяк береговой охраны США. Точность позиционирования с использованием дифференциальной коррекции составляет 1 - 5 м.

Основные понятия GPS

Для успешного использования GPS-навигации следует знать ее основные понятия.

Путевая точка - отметка на местности, сделанная человеком с помощью навигатора и сохраненная в памяти прибора. Путевыми точками можно отмечать любые места, к которым необходимо вернуться. Это может быть автомобиль, оставленный на опушке леса, лунка во льду, пункт контроля скорости патрульно-постовой службы и т. д.Путевым точкам можно присваивать имена, символы, делая, таким образом, свои записи более осмысленными. Как правило, современные навигаторы позволяют хранить в своей памяти от 500 до 3000 путевых точек.Путевые точки можно перебрасывать на компьютер, создавать архивы и закачивать в память навигатора. Очень удобно обмениваться путевыми точками с друзьями, у которых имеется GPS-навигатор, ведь в этом случае пропадает необходимость объяснять, как добраться до конкретного места, достаточно лишь сообщить координаты.Чтобы вернуться к отмеченному путевой точкой месту, достаточно выбрать соответствующую точку в памяти навигатора и выбрать GoTo (Идти к). Прибор покажет направление, расстояние до путевой точки, ориентировочное время прибытия и другие параметры.

Траектория - это последовательность точек, записываемая прибором в автоматическом режиме при движении. Этим точкам, в отличие от путевых, нельзя присвоить ни имя, ни символ. Но из точек траектории формируется точная линия вашего движения, которую потом можно загрузить в компьютер, наложить на карту и увидеть свой путь. Частота записи навигатором точек траектории зависит от настроек. Вы можете указать прибору записывать точку траектории либо через каждые 5 метров своего пути, либо каждые 2 секунды, либо перевести навигатор в режим автоматической записи точек траектории.

Маршрут - это заданная пользователем последовательность движения от одной путевой точки к другой. Данная функция удобна, когда вам необходимо посетить большое количество путевых точек. Как только вы достигнете очередной точки, прибор автоматически переключится на поиск следующей. Если навигатор поддерживает загрузку карт, а сама карта поддерживает автопрокладку маршрута, то маршрут будет проложен в автоматическом режиме.

Реверсивный маршрут - маршрут, по которому навигатор может вести как в прямом, так и в обратном направлении по желанию пользователя. То есть это движение по уже пройденному маршруту в обратную сторону с целью достижения стартовой точки.

Альманах - информация, поступающая от каждого спутника и от всего спутникового созвездия в целом. Это постоянно обновляемый справочник общего характера, из которого видно, где будет находиться каждый спутник в любой момент времени. Альманах спутников позволяет GPS-навигатору быстро найти и принять сигналы спутников, не прибегая к холодному старту.

Эфимерис - это данные точной корректировки параметров орбит и часов для каждого спутника. Каждый из спутников передает только свои данные. Таким образом, альманах дает навигатору только некое общее представление о расположении спутников, а эфимерис предоставляет точную информацию о каждом спутнике.

Холодный старт - процесс первого запуска GPS-навигатора. Во время холодного старта прибор не имеет никакой информации о спутниках (эта информация называется "альманах") и вынужден искать их самостоятельно. Процедура достаточно долгая и может потребовать до 10 минут времени, прежде чем прибор опознает спутники и спозиционируется.

Теплый старт - процесс запуска GPS-приемника, который был отключен более 30 минут. В это время идет процесс сбора еще более точных, чем альманах, данных (альманах уже есть), которые называются эфимерис. Когда эфимерис каждого спутника принят, то данные, полученные от спутника, считаются подходящими для навигации.

Горячий старт - процесс запуска GPS-навигатора, который был отключен менее чем 30 минут. Инициализация навигатора после включения происходит быстро, так как сбор данных эфимериса не нужен, приемник сразу начинает искать спутники по альманаху.

Правовые аспекты

1 мая 2000 года президент США Билл Клинтон заявил об отмене гражданского режима работы системы глобального позиционирования NAVSTAR. В результате точность работы GPS (Global Positioning System) повысилась в десятки раз. Значимость события велика, но она была бы еще больше, не появись несколько лет назад дифференциальные GPS, позволяющие фильтровать преднамеренные и непреднамеренные искажения сигналов и повышать точность определения координат GPS-приемниками до 2-3 метров. Таким образом, особого смысла в гражданском режиме, отличающемся периодическим искажением сигналов в случайные моменты времени, чтобы предотвратить использование NAVSTAR вероятным противником, уже давно не было.

Как сказал Клинтон: "Мое решение отключить гражданский режим основано на рекомендациях министра обороны, Госдепартамента, Департамента транспорта и коммерции, ЦРУ. По их мнению, всемирные интересы транспортной безопасности, науки и коммерции будут лучше обеспечиваться при отключенном режиме гражданского доступа".В России до недавнего времени процесс внедрения GPS-систем тормозился вследствие того, что правовая ситуация с GPS-приемниками была крайне неопределенной, а точных карт для ориентирования на российских просторах в продаже не было. В декабре 2006 года Министерство обороны Российской Федерации также отменило все ограничения на получение и использование геопространственной информации.По заявлению министра обороны Иванова, "это то, о чем экономический блок просил военный блок на протяжении нескольких лет. Уже сняты ограничения для определения координат географических объектов". Как пояснил Иванов, ограничение также снято на линейное разрешение материалов аэрокосмических средств дистанционного зондирования Земли. "Раньше было нельзя лучше двух метров показывать линейное разрешение", - отметил министр.По его словам, снятие ограничений позволит создать открытые топографические и навигационные карты крупных масштабов. "Это позволит потребителям на законных основаниях использовать аппаратуру космических навигационных систем. Позволит гражданам и экономике получать и использовать материалы с аэрокосмических средств вне зависимости от разрешения", - сказал Иванов. По его словам, это очень важно для земельного кадастра и для автомобилистов.

Таким образом, в настоящее время на территории России все желающие могут свободно пользоваться системой глобального позиционирования GPS, и для этого не требуется получать никаких специальных разрешений.