Previous: 4.1.14 Адаптивные, кольцевые, высокоскоростные сети IEEE 802.17    UP: 4.1 Локальные сети (обзор)

4.1.15 Система позиционирования GPS

Семенов Ю.А. (ИТЭФ-МФТИ)
Yu. Semenov (ITEP-MIPT)

GPS (Global Positioning System) – это спутниковая система позиционирования. Координата на поверхности земли определяется по времени распространения сигналов от четырех спутников до точки измерения. Разрешение определяется точностями измерения времени и знания координат спутников. Здесь нужно учитывать, что эти спутники не стационарны, траектории их движения варьируются со временем. Неточность знания координат спутников приводит вкладу в погрешность определения координат порядка 2м. Нестабильность работы задающего генератора на спутнике дает вклад в погрешность около 6-7м. Существует и много других источников деградации разрешающей способности. Желательно, чтобы число спутников, доступных одновременно, было даже больше 4, тогда возможно уточнение результата за счет усреднения. Снижение точности характеризуется величиной DOP (Dilution of precision).

Проект GPS стартовал в 1973 под управлением министерства обороны США. Проект полномасштабно заработал в 1994 году. С этого времени стало возможно осуществлять точное наведения ракет на неподвижные, а затем и на подвижные объекты в воздухе и на земле. См. http://ru.wikipedia.org/wiki/GPS, http://en.wikipedia.org/wiki/GLONASS (GLObal NAvigation Satellite System - 2007 г), http://www.colorado.edu/geography/gcraft/notes/gps/gps_f.html и http://en.wikipedia.org/wiki/Global_Positioning_System, а также NMEA-0183 sentences analysis tool from the GPS system to increase the positional accuracy.

C 1983 года система GPS стала доступна и для гражданских целей с ограниченным разрешением, а с 2000 года с полным разрешением. Спутники летают на высоте 20200 км и имеют период обращения 11 часов 58 минут (скорость перемещения ~3.874км/с). Наклонение орбиты для всех спутников составляет 550. Спутники вращаются вокруг Земли в шести различных плоскостях. Полное число спутников системы GPS равно 24, что покрывает практически всю поверхность Земли кроме приполярных областей. Для обеспечения большей надежности с марта 2010 года на орбитах размещен 31 спутник. Спутники работают на частотах в диапазонах: L1=1575,42 МГц и L2=1227,60 МГц. Все спутники работают на этих частотах, используя CDMA-мультиплексирование (1.023 млн. чип-кодов в сек.). Каждый GPS-спутник непрерывно передает навигационные сообщения на L1 C/A и L2 P/Y со скоростью 50 бит/с. Передача одного сообщения (37500 бит) занимает 750 секунд. Длина одного кадра составляет 1500 бит. Сообщение содержит также данные о точных координатах спутника, которые обновляются каждые два часа. Точность временной синхронизации GPS составляет ±10 нсек. Абслоютная точность временной шкалы GPS рана 14 нсек.

В настоящее время GPS позволяет определять положение и скорость объектов на поверхности Земли и в ближнем космосе.

Современные GPS-приемники при хорошей доступности спутников обеспечивают точность позиционирования 6-8м. Ожидается, что следующее поколение спутников позволит улучшить измерение примерно в 10 раз за счет использования атомных часов. Специальные системы коррекции при благоприятных условиях позволяют поднять разрешающую способность до 1-2м. Существуют и более изощренные дифференциальные методы коррекции, позволяющие довести разрешение до 10см. Ниже в таблице (данные взяты из источников перечисленных в начале этой статьи)представлены значения основных вкладов в точность позиционирования от различных источников погрешности.

Одним из наиболее существенных источников погрешности является ошибка часов приемника. Так погрешность в 1 мсек приводит к ошибке в 300м. Это требует крайне точных и дорогих часов в GPS-приемнике; но производители предпочитают предлагать на рынке недорогие устройства. Эта дилемма разрешается путем введением четвертого спутника.

GPS-приемник принимает сообщения как минимум от четырех доступных спутников, где содержатся показания их часов и идентификаторы. Используя эти данные приемник вычисляет время движения этих сообщений от спутников и их положение в момент отправки.. Обозначим x, y и z – координаты точки измерения и время отправки сообщения как [x_i, y_i, z_i, t_i], где индекс i принимает значения 1, 2, 3,...N (N≥4). Зная время получения сообщения t_r, GPS-приемник вычисляет время распространения сообщения от спутника (t_r - t_i). Расстояние до спутника в этом случае будет равно p_i=(t_r - t_i)c (с – скорость света).

Время распространения сигнала от спутника задает сферу с центром в спутнике. Если мы измеряем задержки для 4-х спутников, то наше положение находится в области пересечения этих сфер.

К недостаткам позиционирования GPS относится невозможность работы внутри зданий в туннелях и при наличии высоких зданий поблизости.

Рис. 1. Схема реализации позиционирования.

Если бы мы имели достаточно точные часы не только на спутниках A, B и C, но и в приемнике S, то при известных позиция спутников могли вычислить положение S.

Но высокие требования к точности S неизбежно бы привели к серьезному удорожанию GPS-приемника. Такое еще возможно для военных целей, но совершенно не примлемо для гражданских применений.

Разработчики решили использовать четвертый спутник для калибровочных целей, что позволило снять требования высокой точности часов GPS-приемника.

Чем больше спутников, доступных для S вовлекается в расчет координат, тем выше будет получена точность позиционирования. При этом предполагается, что точность положения спутников определена с приемлемой погрешностью.