Як влаштована і працює gps
GPS НА ЗЕМЛІ, НА ВОДІ, В НЕБІ
"Все навігаційне обладнання виробляється і продається лише як засіб допомоги в навігації. Користувач сам відповідальний за вдосконалення свого навігаційного майстерності, незалежно від будь-якого, придбаного ним обладнання".
(З Керівництва по експлуатації.)
Сигнали GPS.
Всі частоти в системі GPS кратні основній частоті годин супутника, 10.23 МГц. Супутник передає сигнали в діапазонах L1 = 1575.42 МГц і L2 = 1227.6 МГц. Сигнали містять два види інформації: "навігаційні повідомлення" і "псевдовипадковий код" (Рис. 1). Код являє собою послідовність одиниць і нулів, на перший погляд випадкову, але змінюється по складному закону. Псевдовипадковий код містить номер супутника (PRN).
Існують два види коду. Цивільні GPS використовують C / A (Coarse Acquisition) - код, який передається тільки на частоті L1. Один цикл передачі коду складається з 1 023 біт і повторюється 1000 разів (сек. Військові GPS високої точності використовують P-код (Precise), який передається на обох частотах, L1 і L2.
Навігаційні повідомлення передаються зі швидкістю 50 біт / сек додаткової модуляцією несучої частоти під псевдовипадковим кодом. Кожне повідомлення складається з 25 "порцій" (сторінок) по 1500 біт. Повний цикл передачі всього повідомлення займає 12.5 хв. Навігаційне повідомлення включає в себе "ефемеридні дані" і "дані альманаху"; дані про час в системі GPS і коефіцієнти для його перерахунку у всесвітній час, ключові слова до P-коду і спеціальні повідомлення. Ефемериди - це дані про справність супутника і параметри його орбіти - коефіцієнти, за допомогою яких приймач обчислює поточне і майбутнє положення супутника, використовуючи математичну кеплерівської модель. Крім того, ці повідомлення містять коефіцієнти поправки до супутникових годинах і до затримки поширення сигналу в іоносфері для користувачів C / A-коду. Альманах - це дані про ефемеридах і стані інших супутників в системі (зберігаються в пам'яті приймача). Завдяки цим даним приймач завжди "знає", де знаходяться всі супутники системи, навіть коли він їх не бачить, і які супутники краще використовувати для визначення координат.
Як приймач GPS визначає своє становище?
Система GPS використовує спосіб визначення по дальності до орієнтирів-супутників, яка визначається за допомогою псевдовипадкового коду. Для цього приймач генерує свій внутрішній код в той же самий час, щоб він точно дублював код супутника. Приймач порівнює різницю в часі між прийомом відповідної частини супутникового коду з такою ж частиною свого коду. Знаючи зрушення за часом і швидкість поширення радіохвиль, приймач отримує відстань до супутника, зване псевдодальністю, і за двома відстаням може визначити своє точне положення (Рис 2.) Чому "псевдо"? Проблема в тому, щоб переконатися, що псевдовипадкові коди приймача і супутника згенерували одночасно. З боку супутника тут складності немає. Годинники супутника дуже точні і коригуються за сигналами з Землі. Годинник приймача менш точні, крім того, затримки поширення сигналу в іоносфері, тропосфері і т.д. створюють сумарну помилку (Рис.3). Для її виправлення GPS використовує вимір дальності від третього супутника.
При визначенні двомірних координат по двох кіл рівних відстаней приймач "не знає", чи знаходиться він насправді на них чи ні. Наприклад, якщо годинник приймача відстають, справжня позиція буде ближче, але в кожному разі пропорційно ближче до кожного з супутників. Вводячи лінію положення від 3-го супутника, ми можемо отримати однозначний результат. Приймач GPS має програму, яка бере інформацію для трьох ліній положення і вирішує її алгебраїчно. Ці обчислення дають вирішення трьох рівнянь для трьох невідомих: довготи, широти і помилки годинника. Ось чому для визначення двомірних координат необхідні як мінімум 3 супутники, 4 - для тривимірних.
Про точність.
Користувача GPS цікавить реальна точність системи; іншими словами, наскільки близько можна пройти від якоїсь навігаційної небезпеки, покладаючись тільки на приймач GPS? На жаль, однозначної відповіді на це питання не існує. Це пов'язано зі статистичними характером помилки GPS.
Причини помилок GPS.
Режим SA.
У мирний час додає помилку в кілька десятків метрів; в особливих випадках можуть вводиться помилки в сотні метрів. (Уряд США відповідає за працездатність системи перед мільйонами користувачів, і можна розраховувати, що таке значне зниження точно не буде введено без досить серйозних причин.) Досягається шляхом хаотичного зсуву часу передачі псевдослучайного коду. Помилки, що виникають від SA, випадкові і рівноімовірні в кожну сторону. SA впливає також на точність курсу і швидкості по GPS. З цієї причини нерухомий приймач часто показує злегка змінюються швидкість і курс. Так що, в деякій мірі, оцінити ступінь впливу SA можна по періодичних змін курсу і швидкості по GPS.
Затримки поширення радіохвиль в іоносфері і тропосфері.
Швидкість радіохвиль в порожнечі постійна, але при вході сигналу в атмосферу вона змінюється. Для сигналів від різних супутників затримка часу різна. Помилки поширення радіохвиль залежать від стану атмосфери і висоти супутника над горизонтом: чим нижче супутник, тим більший шлях проходить його сигнал через атмосферу і тим більше спотворення. Більшість приймачів виключають використання сигналів від супутників з піднесенням над горизонтом менше 7,5 (. Ще атмосферні перешкоди залежать від часу доби: після заходу сонця щільність іоносфери і її вплив на радіосигнали зменшується (явище, добре знайоме радистам-короткохвильовики).
Вплив відбитого сигналу (Multypath).
Крім прямого сигналу від супутника приймач також може прийняти сигнали, відбиті від скель, будівель, що проходять судів. Якщо прямий сигнал закритий від приймача надбудовами або такелажем, відбитий сигнал може бути сильніше. Цей сигнал проробляє довший шлях, і приймач "думає", що знаходиться далі від супутника, ніж насправді. Ці помилки багато менше 100 м, оскільки тільки близько розташовані предмети здатні дати досить сильне відлуння.
Супутникова геометрія.
Залежить від розташування щодо приймача супутників, за якими визначається позиція. Якщо приймач "зловив" чотири супутники, і всі вони знаходяться на півночі, то супутникова геометрія погана. Результат - помилка до 90-150 м. Або навіть неможливість визначення координат. (Всі чотири виміри - з одного і того ж напрямку, і область їх перетину, занадто велика; рис.4)
З тими ж 4-ма супутниками точність набагато зростає, якщо вони розташовані рівномірно на всі боки горизонту. В цьому випадку, навіть з SA, точність досягає 30 м. І вище.
Супутникова геометрія вимірюється фактором PDOP (Position Dilution Of Precision) або HDOP (Horizontal Dilution Of Precision). Ідеальному розташуванню супутників відповідає PDOP = 1; великі значення свідчать про поганий супутникової геометрії. PDOP використовується як множник для інших помилок. Кожна виміряна приймачем псевдодальностей має свою похибку, що залежить від атмосферних перешкод, помилок в ефемеридах, SA, відбитого сигналу і т.д. Так, якщо передбачувані значення цих помилок в сумі складають 50 м. І PDOP = 1,5, то очікувана помилка визначення місця буде 75 м.
Приймачі GPS по-різному уявляють інформацію для оцінки точності з використанням PDOP. Крім HDOP, використовується GQ (Geometric Quality, величина, зворотна HDOP) або якісна оцінка в балах. Багато сучасні приймачі показують EPE (Estimated Position Error - очікувану помилку позиції) безпосередньо в одиницях дистанції. EPE враховує розташування супутників і прогноз похибки сигналів для кожного супутника в залежності від SA, стану атмосфери, помилок супутникових годин, рухаючись в складі ефемеридної інформації.
Супутникова геометрія також стає проблемою при використанні приймача GPS всередині транспортних засобів, в густому лісі, в горах, поблизу високих будівель. Коли сигнали від окремих супутників блоковані, положення залишилися супутників визначить, наскільки точною буде позиція GPS (і їх число покаже, чи може позиція взагалі бути визначена). Хороший приймач GPS показує не тільки, які супутники використовуються, але і де вони знаходяться (азимут і піднесення над горизонтом), так що Ви можете визначити, утруднений прийом даного супутника.
Велику частину часу GPS забезпечує високу точність, в межах декількох десятків метрів, що цілком достатньо для навігації в звичайних умовах. Але для користувача важливо, що в окремі моменти можливі відхилення до кабельтова і більше. Імовірність таких помилок вкрай мала, але нехтувати нею не слід. Завжди рекомендується користуватися більш ніж одним засобом навігації. Приймаючи рішення про ступінь довіри до показань GPS, можна врахувати наступні ознаки:
- інформація приймача про розташування супутників. Максимальні проблеми можуть виникати при при несприятливому поєднанні максимальних значень факторів, що впливають на точність і, в першу чергу, супутникової геометрії. На Вашому приймачі, зазвичай показують EPE 20-40 м, з'явилося 60 м і більше.);
- видимість неба над антеною приймача;
- зміна позиції GPS за попередній період (прокладка, яка виконується в великому масштабі).
- відповідність курсу та швидкості по GPS показаннями компаса і лага.
- наявність предметів, що відображають сигнал.
І останнє. До цього розглядалася тільки точність показань самого приймача GPS. А максимальні помилки навігації з використанням GPS підсумовуються з максимальних помилок всього ланцюжка: супутники - приймач - користувач - карта - користувач.