Что мы знаем о GPS (Global Position System)?

Здравствуйте дорогие друзья.

В этом посте, я бы хотел поговорить, о современных способах  определения места судна, а именно о GPS - Глобальной Системе Позиционирования. Тема довольно обширная, в одном посте не раскрыть. Начнем с малого, и если вам понравиться раскроем её пошагово.

Большинство людей, ошибочно путают  глобальную систему  позиционирования, с глобальной системой местоопеределения. Разница между первым и вторым, состоит только в том, что система позиционирования имеет более широкий профиль применения. А именно, она позволяет определять не только координаты места, но и вектор скорости движущегося объекта. В то время как система местоопределения дает нам только координаты. Давайте попробуем вспомнить, с чего все начиналось.

Идея создания космических систем навигации была реализована с пуском первого Советского искусственного спутника Земли (4-го октября 1957г). С этого момента, за разработку космических систем активно взялись ученые США. Их первыми разработками были системы типа Transit, Polaris. Предназначались исключительно в военных целях.

Создание глобальной системы позиционирования началось компанией Navstar (NAVigation System with Time and Ranging – Навигационная система на основе временных и дальномерных измерений). И уже в  феврале 1978 года, запустила на орбиту свой первый экспериментальный спутник. Шло время, система совершенствовалась. Но гражданское применение получила после катастрофы Корейского авиалайнера, сбитого в 1983г. над Курильскими островами. Как работает GPS?

Прежде всего, отметим, что  GPS является пассивной системой или вторичным оборудованием. Т.е. приемник принимает  сигналы со спутника, но ничего не передает.

Давайте рассмотрим главный принцип работы GPS.

Он основан на определении координат местоположения по расстояниям до группы спутников(3-4 спутника). Каждый приемник самостоятельно генерирует сигнал от спутника и сравнивает его с принятым сигналом. Эта разница называется задержкой сигнала. Она возникает в результате погрешности во времени между приемником и спутником. На каждом спутнике установлены атомные часы, позволяющие рассчитывать самое точное время. Это очень дорогостоящее удовольствие. Поэтому приемники не оснащаются такими часами. Если умножить время прохождения сигнала на скорость распространения радиоволн - получим расстояние от спутника до приемника. (Скорость распространения радиоволн в свободном пространстве равна скорости света в вакууме: с =  300 тыс. км/сек). Из чего состоит система?

GPS – состоит из трех сегментов: космического, наземного и пользовательского.

Космический сегмент – представляет из себя 32 средне-орбитальных спутника, из которых 24 - основные и 8 спутников в резерве. Спутники вращаются на 6 круговых орбитах, располагая по 4 спутника на орбиту. Плоскости орбит разнесены по долготе на 60 градусов. Наклон плоскости орбиты к плоскости экватора составляет 55 градусов, а расстояние от поверхности земли до спутника 20,2 тыс. км. Почему выбрана такая высота? Потому, что на такой высоте, период их обращения составляет 12 часов, т.е. половине звездных суток.

Наземный сегмент – состоит из 4-х станций наблюдения и контроля, расположенных на Гавайях, атолле Кваджелейнт (Kwajalein), островах Вознесения (Ascension Island) и Диего – Гарсия (Diego Garcia), а также на базе Falcon военно-воздушных сил США в Колорадо – Спрингс (Colorado Springs) она же является главной контрольной. Станции следят за спутниками, записывая всю информацию об их движении каждые 1,5 секунды, которая передается на главную командную станцию для корректировки орбит и навигационной информации.

Пользовательский сегмент – это приемники пользователей, которые обрабатывают принятые данные со спутника, рассчитывают координаты, скорости и время.

Завершая наземный сегмент, нельзя не упомянуть об одной очень важной детали. При определении координат, GPS использует всемирную геодезическую систему WGS84 (World Geodetic System - 1984). Для нас, мореплавателей, важно знать об этой особенности. Так как карты, на которых ведется прокладка курса, могут быть не приведены к этой системе. Если не обращать на это внимание и тупо переносить координаты снятые с приемника, все это может привести к необратимым последствиям.

На этом пожалуй, закончим пост. Старался как можно понятнее объяснить принцип работы. Если же вам понравилось, то обязательно разложим все по полочкам. Разберем подробно, как определяются координаты. Зачем нужны атомные часы или эталон времени. Что такое геоцентрические системы. В чем разница между SPS (Standart Positioning Service) и PPS (Precise Positioning Service). Для чего нужны каналы L1 и L2. Что влияет на точность измерения. EPE (Estimated Position Error). Что означают Эфемеридные данные и данные Альманаха. Любимый режим SA (Selective Availability). Факторы PDOP (Position Dilution Of Precision) и HDOP (Horizontal Dilution Of Precision). И многое другое.

Скажу сразу, что углубляться основательно в теорию радиотехники не будем. Все это разберем на уровне хорошей эксплуатации. Чтобы каждый из нас, понял, как все это работает. И в дальнейшем чувствовал себя уверенно, как настоящий профессионал своего дела.

С уважением, Алексей Мартынюк.

GPS

Комментарии

Оставить комментарий

Андрей Михайленко

17 октября 2011

Отличный пост ! Всё очень понятно и интересно. Обязательно продолжайте тему.

Alex Fedoryshyn

18 октября 2011

эээ.. что-то тут не то.. способ определения никак не по времени сигнала.. это вам не эхолот, тут скорости другие по сравнению с расстоянием. принцип определения взят с человеческого глаза - по сдвигу фаз сигналов (таким же способом наш глаз определяет дистанцию до предметов, тем самым давай нам ощущение пространства. два глаза тут конечно не причем, это только system redudancy))) раскройте больше тему C/A и P-кодов, (частотное разделение Л1 и Л2 только в системе ГЛОНАСС) а также DGPS и SDGPS

Алексей Мартынюк

19 октября 2011

Спасибо за комментарий. Но давайте не будем забегать вперед. Мы все разберем от начала до конца. Если дать в одном посте, весь материал, не каждый сможет его усвоить.

Alex Fedoryshyn

19 октября 2011

Алексей, можете про RAIM еще рассказать, хотя бы в двух словах, а то спорный вопрос на пароходе

Алексей Мартынюк

18 октября 2011

Спасибо! Обязательно раскроем все тонкости и хитрости!

Пронтенко Андрей Александрович

18 октября 2011

Хорошая ознакомительная статья. Хотелось бы узнать как переносить координаты с учетом World Geodetic System – 1984.

Verity Searcher

19 октября 2011

Все супер, но только, по моему, SPS (Standart Positioning Service) уже отменили и система работает только в Precise Positioning Service. В таком режиме на WGS-84 система дает максимальную ошибку до 30 м.

Alex Fedoryshyn

19 октября 2011

еще вопрос, который тоже относится к моему посту о DP. что собой представляет Position Filter и почему потеряв оба гирокомпаса DP система теряет GPSы (проверено на BEIER RADIO)?

Verity Searcher

20 октября 2011

IMHO тут речь уже идет о фильтрации данных о позиции судна, с входом по компасу. Т.е. когда в ДП вы переносите Conning Position с бака на корму и т.п., ваш курс по Гиро (Heading) имеет жизненно-важное значение, в то время как COG зависит чисто от движения судна. Следовательно, если GPS у вас на баке, а conning position перенесена в корму, ее место определяется как позиция по GPS + дистанция до CP по курсу, и фильтруется фильтром Калмана (простите за тавтологию). Если компасы вырубаются, то такая позиция просто не может быть определена.

Alex Fedoryshyn

21 октября 2011

оо! спасибо! как я раньше не додумался! а conning psn по бейеровскому это я так понимаю center of rotation?

shturman

21 октября 2011

Рад, что есть такие высококвалифицированные специалисты, которые делятся опытом. Начинающий DP оператор может подчеркнуть много полезного из вашего диалога. Спасибо!

Verity Searcher

21 октября 2011

По своей природе полюс поворота несколько другая штука, он перемещается с движением судна, но в данном случае вы, как бы, его фиксируете (точнее это делает ДП система).

Saniukas Vecislavas

20 октября 2011

Bolshoe spasibo zaraneje za poluchenuju informaciju. Prekrasno chto imejutsia odarionije liudi i deliatsia informacijei s drugimi. Uvazenijem Kapitan Saniukas

Andrey

21 октября 2011

было бы неплохо осветить: Факторы PDOP (Position Dilution Of Precision) и HDOP (Horizontal Dilution Of Precision). Об этом нигде не учат и не рассказывают. Плюс для DGPS это важные параметры.

Алексей Мартынюк

22 октября 2011

Спасибо всем за комментарии и активность! Обязательно будем продолжать тему!

Verity Searcher

23 октября 2011

Дабы не бросать слова на ветер, цитирую http://gps-club.org.ua/articles/249-prakticheskaya-tochnost-gps-koordinat.html "Преднамеренное падение производительности спутникового сигнала – Так именуемый режим "урезанного доступа" - преднамеренное сокращение точности гражданских GPS-навигаторов, которое осуществляло Министерство защиты Соединенных Штатов (тоесть в сигнал для обыкновенных юзеров добавлялась синтетическая неточность, коия от случая к случаю доводила итоговую ошибку позиционирования до 100м). С 1 мая 2000 года режим "урезанного доступа" был отключен." http://tycho.usno.navy.mil/gpsinfo.html "The Standard Positioning Service (SPS) is a positioning and timing service which will be available to all GPS users on a continuous, worldwide basis with no direct charge. SPS will be provided on the GPS L1 frequency which contains a coarse acquisition (C/A) code and a navigation data message. SPS provides a predictable positioning accuracy of 100 meters (95 percent) horizontally and 156 meters (95 percent) vertically and time transfer accuracy to UTC within 340 nanoseconds (95 percent). "

Игорь Н.

06 мая 2012

Ребята, вы просто молодцы!!! что бы мы делали без вас, спасибо вам большое!!!

Евгений Богаченко

06 мая 2012

Спасибо за теплые слова!

Константин К.

01 августа 2012

Осмелюсь добавить: 1.Принятый сигнал от 1 спутника на земной поверхности приёмником представляет собой полусферу, и её проекция на плоскость земли (воды) некий радиус. Определение по ней невозможно. 2. Вместе с принятым сигналом от 2-го спутника с противоположного направления орбиты уже образуется 3D фигура и проекция на плоскость образует фигуру типа "линза", и становится возможно определение координат с погрешностью величиной от площади "линзы" до точки касания проекций двух дуг на плоскость земли (воды). 3. При появлении сигнала 3-го спутника, появляется математическая возможность "рассечь" эту "линзу" пополам, что приводит в резко возросшей точности на плоскости, но и к продолжению неопределенности в пространстве. Ибо образуется та же "линза", но в вертикальном положении только меньшего размера.. Т.е. невозможность определить высоту над уровнем плоскости сохраняется. 4. И только при появлении 4-го сигнала от спутника, точность начинает приобретать практическое применение. Поскольку, та же вертикальная линза делится пополам и .точность возрастает. При всех этих математических экзерсисах, которые похожи на бег черепахи с зайцем не надо забывать о вышеупомянутой статье, - необходимо следить за датумом, или референц-элипсоидом. Чей он, и насколько соответствует его поправка на карте. Иначе, вместо мостика можно очутиться в подводной лодке. ))

Евгений Богаченко

01 августа 2012

Спасибо за подробное разъяснение.

SergDT

05 ноября 2013

Не совсем корректно "...приемники не оснащаются такими часами": в КАЖДОМ приемнике стоит высокостабильный источник метки времени (1*10-9 сек), только благодаря ему становится возможным "сравнить" (несколько корреляторов для этого ставят "железных" или программных) сигналы от спутников с данными альманаха.

Только зарегистрированные пользователи могут комментировать

Обновления на почту
Последние комментарии
  • MAN OVERBOARD (основано на реальных событиях) 2020-12-30 Ответ: Petr Действия с мостика в данном случае:1.Нажать на ближайшем нав.устройстве кнопку МОВ.2. Сбрасываем с мостика спасательный круг который оборудован дым.ша...
  • ALEXIS Platform. DP Operator Application. 2020-11-05 Ответ: Кирилл Добрый день! Начинаю свой путь к заветному сертификату DPO. Не совсем понятен момент по поводу пассивных dp днях. Могу ли я записывать в лог бук пасси...
  • DP revalidation или как обновить DP сертификат 2020-09-03 Ответ: Yuriy84 Alex. Подскажите у вас получилось? Я столкнулся с той же проблемой в NI тоже написал. Пока тишина....

Рекомендуем

Весь каталог

Учет дрейфа и течения

Учет дрейфа и течения

Видеокурс: 6 уроков

Автор: Валерий Гусев

КУПИТЬ 100,00 грн.

Остойчивость

Остойчивость

Видеокурс: 15 уроков

Продолжительность курса – 3,5 часа.

Автор: Евгений Богаченко

КУПИТЬ 180,00 грн.