в каком году был запущен первый спутник системы gps navstar
Система спутниковой навигации GPS – принцип, схема, применение
Спутниковая навигация GPS давно уже является стандартом для создания систем позиционирования и активно применяется в различных трекерах и навигаторах. В проектах Arduino GPS интегрируется с помощью различных модулей, не требующих знания теоретических основ. Но настоящему инженеру должно быть интересно разобраться со принципом и схемой работы GPS, чтобы лучше понимать возможности и ограничения этой технологии.
Схема работы GPS
GPS – это спутниковая навигационная система, разработанная Министерством обороны США, которая определяет точные координаты и время. Работает в любой точке Земли в любых погодных условиях. GPS состоит из трех частей – спутников, станций на Земле и приемников сигнала.
Идея создания спутниковой навигационной системы зародилась еще в 50-е годы прошлого столетия. Американская группа ученых, наблюдающая за запуском советских спутников, заметила, что при приближении спутника частота сигнала увеличивается и уменьшается при его отдалении. Это позволило понять, что возможно измерить положение и скорость спутника, зная свои координаты на Земле, и наоборот. Огромную роль в развитии навигационной системы сыграл запуск спутников на низкую околоземную орбиту. А в 1973 году была создана программа «DNSS» («NavStar»), по этой программе спутники запускались на среднюю околоземную орбиту. Название GPS программа получила в том же 1973 году.
Система GPS на данный момент используется не только в военной области, но и в гражданских целях. Сфер применения GPS много:
Тектоника плит – происходит слежение за колебаниями плит;
Определение сейсмической активности;
Спутниковое отслеживание транспорта – можно проводить мониторинг за положением, скоростью транспорта и контролировать их движение;
Геодезия – определение точных границ земельных участков;
Игры, геотегинт и прочие развлекательные области.
Важнейшим недостатком системы можно считать невозможность получения сигнала при определенных условиях. Рабочие частоты GPS лежат в дециметровом диапазоне волн. Это приводит к тому, что уровень сигнала может снизиться из-за высокой облачности, плотной листвы деревьев. Радиоисточники, глушилки, а в редких случаях даже магнитные бури также могут мешать нормальной передаче сигнала. Точность определения данных будет ухудшаться в приполярных районах, так как спутники невысоко поднимаются над Землей.
Основным конкурентом GPS является российская система ГЛОНАСС (глобальная навигационная спутниковая система). Свою полноценную работу система начала с 2010 года, попытки активно использовать ее предпринимались с 1995 года. Существует несколько отличий между двумя системами:
Разные кодировки – американцы используют CDMA, для российской системы используется FDMA;
Разные габариты устройств – ГЛОНАСС использует более сложную модель, поэтому повышается энергопотребление и размеры устройств;
Расстановка и движение спутников на орбите – российская система обеспечивает более широкий охват территории и более точное определение координат и времени.
Срок службы спутников – американские спутники делаются более качественными, поэтому они служат дольше.
Помимо ГЛОНАСС и GPS существуют и другие менее популярные навигационные системы – европейский Galileo и китайский Beidou.
Принцип работы GPS
Работает система GPS следующим образом – приемник сигнала измеряет задержку распространения сигнала от спутника до приемника. Из полученного сигнала приемник получает данные о местонахождении спутника. Для определения расстояния от спутника до приемника задержка сигнала умножается на скорость света.
С точки зрения геометрии работу навигационной системы можно проиллюстрировать так: несколько сфер, в середине которых находятся спутники, пересекаются и в них находится пользователь. Радиус каждой из сфер соответственно равен расстоянию до этого видимого спутника. Сигналы от трех спутников позволяют получить данные о широте и долготе, четвертый спутник дает информацию о высоте объекта над поверхностью. Полученные значения можно свести в систему уравнений, из которых можно найти координату пользователя. Таким образом, для получения точного местоположения необходимо провести 4 измерения дальностей до спутника (если исключить неправдоподобные результаты, достаточно трех измерений).
Поправки в полученные уравнения вносит расхождение между расчетным и фактическим положением спутника. Погрешность, которая возникает в результате этого, называется эфемеридной и составляет от 1 до 5 метров. Также свой вклад вносят интерференция, атмосферное давление, влажность, температура, влияние ионосферы и атмосферы. Суммарно совокупность всех ошибок может довести погрешность до 100 метров. Некоторые ошибки можно устранить математически.
Чтобы уменьшить все погрешности, используют дифференциальный режим GPS. В нем приемник получает по радиоканалу все необходимые поправки к координатам от базовой станции. Итоговая точность измерения достигает 1-5 метров. При дифференциальном режиме существует 2 метода корректировки полученных данных – это коррекция самих координат и коррекция навигационных параметров. Первый метод использовать неудобно, так как все пользователи должны работать по одним и тем же спутникам. Во втором случае значительно увеличивается сложность самой аппаратуры для определения местоположения.
Существует новый класс систем, который увеличивает точность измерения до 1 см. Огромное влияние на точность оказывает угол между направлениями на спутники. При большом угле местоположение будет определяться с большей точностью.
Точность измерения может быть искусственно снижена Министерством обороны США. Для этого на устройствах навигации устанавливается специальный режим S/A – ограниченный доступ. Режим разработан в военных целях, чтобы не дать противнику преимущества в определении точных координат. С мая 2000 года режим ограниченного доступа был отменен.
Все источники ошибок можно разделить на несколько групп:
Погрешность в вычислении орбит;
Ошибки, связанные с приемником;
Ошибки, связанные с многократным отражением сигнала от препятствий;
Ионосфера, тропосферные задержки сигнала;
Геометрия расположения спутников.
В систему GPS входит 24 искусственных спутника Земли, сеть наземных станций слежения и навигационные приемники. Станции наблюдения требуются для определения и контроля параметров орбит, вычисления баллистических характеристик, регулировка отклонения от траекторий движения, контроль аппаратуры на бору космических аппаратов.
Характеристики навигационных систем GPS:
Количество спутников – 26, 21 основной, 5 запасных;
Количество орбитальных плоскостей – 6;
Высота орбиты – 20000 км;
Срок эксплуатации спутников – 7,5 лет;
Рабочие частоты – L1=1575,42 МГц; L2=12275,6МГц, мощность 50 Вт и 8 Вт соответственно;
Надежность навигационного определения – 95%.
Навигационные приемники бывают нескольких типов – портативные, стационарные и авиационные. Приемники также характеризуются рядом параметров:
Количество каналов – в современных приемников используется от 12 до 20 каналов;
Наличие картографической поддержки;
Различные технические характеристики – материалы, прочность, защита от влаги, чувствительность, объем памяти и другие.
Принцип действия самого навигатора – в первую очередь устройство пытается связаться с навигационным спутником. Как только связь будет установлена, происходит передача альманаха, то есть информации об орбитах спутников, находящихся в рамках одной навигационной системы. Связи с одним только спутником недостаточно для получения точного местоположения, поэтому оставшиеся спутники передают навигатору свои эфемериды, необходимые для определения отклонений, коэффициентов возмущения и других параметров.
Холодный, теплый и горячий старт GPS навигатора
Включив навигатор впервые или после долгого перерыва, начинается долгое ожидание для получения данных. Долгое время ожидания связано с тем, что в памяти навигатора отсутствуют либо устарели альманах и эфемериды, поэтому устройство должно выполнить ряд действий по получению или обновлению данных. Время ожидания, или так называемое время холодного старта, зависит от различных показателей – качество приемника, состояние атмосферы, шумы, количество спутников в зоне видимости.
Чтобы начать свою работу, навигатор должен:
Найти спутник и установить с ним связь;
Получить альманах и сохранить его в памяти;
Получить эфемериды от спутника и сохранить их;
Найти еще три спутника и установить с ними связь, получить от них эфемериды;
Вычислить координаты при помощи эфемерид и местоположения спутников.
Только пройдя весь этот цикл, устройство начнет работать. Такой запуск и называется холодным стартом.
Горячий старт значительно отличается от холодного. В памяти навигатора уже имеется актуальный на данный момент альманах и эфемериды. Данные для альманаха действительны в течение 30 дней, эфемерид – в течение 30 минут. Из этого следует, что устройство выключалось на непродолжительное время. При горячем старте алгоритм будет проще – устройство устанавливает связь со спутником, при необходимости обновляет эфемериды и вычисляет местоположение.
Существует теплый старт – в этом случае альманах является актуальным, а эфемериды нужно обновить. Времени на это затрачивается немного больше, чем на горячий старт, но значительно меньше, чем на холодный.
Ограничения на покупку и использование самодельных модулей GPS
Российское законодательство требует от производителей уменьшать точность определения приемников. Работать с незагрубленной точностью может производиться только при наличии у пользователя специализированной лицензии.
Под запретом в Российской Федерации находятся специальные технические средства, предназначенные для негласного получения информации (СТС НПИ). К таковым относятся GPS трекеры, которые используются для негласного контроля над перемещением транспорта и прочих объектов. Основной признак незаконного технического средства – его скрытность. Поэтому перед приобретением устройства нужно внимательно изучить его характеристики, внешний вид, на наличие скрытых функций, а также просмотреть необходимые сертификаты соответствия.
Также важно, в каком виде продается устройство. В разобранном виде прибор может не относиться к СТС НПИ. Но при сборе готовое устройство уже может относиться к запрещенным.
НАВСТАР
GPS (англ. Global Positioning System — система глобального позиционирования, читается Джи Пи Эс, также ГПС (глобальная позиционирующая система)) — спутниковая система навигации, обеспечивающая измерение расстояния, времени и определяющая местоположение во всемирной системе координат WGS 84. Позволяет почти при любой погоде определять местоположение в любом месте Земли (исключая приполярные области) и околоземного космического пространства. Система разработана, реализована и эксплуатируется Министерством обороны США, при этом в настоящее время доступна для использования в гражданских целях — нужен только навигатор или другой аппарат (например, смартфон) с GPS-приёмником.
Содержание
История
В создании межвидовой спутниковой навигационной системы в 1970-е участвовали три основных вида вооружённых сил США: ВМС, ВВС и Армия. В этом ими преследовались следующие цели: [3]
К работам по созданию системы были привлечены государственные и частные исследовательские и научно-производственные учреждения:
Первый спутник по программе NavStar выведен на орбиту 14 июля 1974 года. Вывод спутника советской системы позиционирования ГЛОНАСС в 1982 году дал повод конгрессу США выделить деньги и ускорить работы. Шла холодная война, гонка вооружений набирала обороты. В 1983 году начались интенсивные работы по созданию GPS, а последний из всех 24 спутников, необходимых для полного покрытия земной поверхности, был выведен на орбиту в 1993 году, и GPS встала на вооружение. Стало возможным использовать GPS для точного наведения ракет на неподвижные, а затем и на подвижные объекты в воздухе и на земле.
Техническая реализация
| Блок | Период запусков | Запуски спутников | Работают сейчас | В резерве | На техобслу- живании | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Все- го | Успе- шно | Неус- пешно | Гото- вится | Заплани- ровано | |||||
| I | 1978—1985 | 11 | 10 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| II | 1989—1990 | 9 | 9 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| IIA | 1990—1997 | 19 | 19 | 0 | 0 | 0 | 0 | 7 | 0 |
| IIR | 1997—2004 | 13 | 12 | 1 | 0 | 0 | 10 | 0 | 0 |
| IIR-M | 2005—2009 | 8 | 8 | 0 | 0 | 0 | 7 | 0 | 1 |
| IIF | 2010—2016 | 12 | 12 | 0 | 0 | 0 | 12 | 0 | 0 |
| III | 2018—2023 | 5 | 5 | 0 | 0 | 8 | 5 | 0 | 0 |
| IIIF | 2025—2034 | 0 | 0 | 0 | 0 | 22 | 0 | 0 | 0 |
| Всего | 74 | 73 | 2 | 0 | 30 | 31 | 7 | 1 | |
| (Последнее обновление данных: 17 июня 2020) | |||||||||
Космический сегмент состоит из 32 спутников, вращающихся на средней орбите Земли.
По состоянию на 07 апреля 2020 года используются по целевому назначению 31 космический аппарат (КА). На этапе ввода в систему 0 КА, выведены на техобслуживание 1 КА.
По состоянию на 05 июля 2021 года 32 КА используются по целевому назначению.
Пользовательский сегмент представлен приёмниками GPS, находящихся в ведении государственных институтов, и сотнями миллионов приёмных устройств, владельцами которых являются обычные пользователи.
Космические спутники
Орбиты спутников
Спутниковая группировка системы NAVSTAR обращается вокруг Земли по круговым орбитам с одной высотой и периодом обращения для всех спутников. Круговая орбита с высотой около 20 200 км (радиус орбиты около 26 600 км ) является орбитой суточной кратности с периодом обращения 11 часов 58 минут; таким образом, спутник совершает два витка вокруг Земли за одни звёздные сутки ( 23 часа 56 минут ).
Таким образом, с точки зрения наблюдателя, неподвижного относительно Земли, спутник имеет период обращения примерно 23 часа 56 минут.
Радиочастотные характеристики
Сигнал с кодом стандартной точности (C/A-код — модуляция BPSK(1)), передаваемый в диапазоне L1 (и сигнал L2C (модуляция BPSK) в диапазоне L2, начиная с аппаратов IIR-M), распространяется без ограничений на использование. Первоначально используемое на L1 искусственное загрубление сигнала (режим селективного доступа — S/A) с мая 2000 года отключено. С 2007 года США окончательно отказались от методики искусственного загрубления. Планируется с запуском аппаратов Блок III введение нового сигнала L1C (модуляция BOC (1,1)) в диапазоне L1. Он будет иметь обратную совместимость, улучшенную возможность прослеживания пути и в большей степени совместим с сигналами L1 европейской системы спутникового позиционирования Galileo.
Для военных пользователей дополнительно доступны сигналы в диапазонах L1/L2, модулированные помехоустойчивым криптоустойчивым P(Y)-кодом (модуляция BPSK (10)). Начиная с аппаратов IIR-M введён в эксплуатацию новый М-код (используется модуляция BOC (10, 5)). Использование М-кода позволяет обеспечить функционирование системы в рамках концепции Navwar (навигационная война). М-код передается на существующих частотах L1 и L2. Данный сигнал обладает повышенной помехоустойчивостью, и его достаточно для определения точных координат (в случае с P-кодом было необходимо получение и кода C/A). Ещё одной особенностью M-кода станет возможность его передачи для конкретной области диаметром в несколько сотен километров, где мощность сигнала будет выше на 20 децибел. Обычный сигнал М уже доступен в спутниках IIR-M, а узконаправленный будет доступен только при помощи спутников GPS-III.
| Тип спутника | GPS-II | GPS-IIA | GPS-IIR | GPS-IIRM | GPS-IIF |
| Масса, кг | 885 | 1500 | 2000 | 2000 | 2170 |
| Срок жизни, лет | 7,5 | 7,5 | 10 | 10 | 15 |
| Эталон бортового времени | Cs | Cs | Rb | Rb | Rb+Cs |
| Межспутниковая связь | − | + | + | + | + |
| Автономная работа, дней | 14 | 180 | 180 | 180 | >60 |
| Антирадиационная защита | − | − | + | + | + |
| Антенна | − | − | Улучшенная | Улучшенная | Улучшенная |
| Возможность настройки на орбите и мощность бортового передатчика | + | + | ++ | +++ | ++++ |
| Навигационный сигнал | L1:C/A+P L2:P | L1:C/A+P L2:P | L1:C/A+P L2:P | L1:C/A+P+M L2:C/A+P+M | L1:C/A+P+M L2:C/A+P+M L5:C |
24 спутника обеспечивают полную работоспособность системы в любой точке земного шара, но не всегда могут обеспечить уверенный приём и хороший расчёт позиции. Поэтому, для увеличения точности позиционирования и резерва на случай сбоев, общее число спутников на орбите поддерживается в большем количестве (32 аппарата в сентябре 2018 года).
Наземные станции контроля космического сегмента
Применение GPS
Несмотря на то, что изначально проект GPS был направлен на военные цели, сегодня GPS широко используются в гражданских целях. GPS-приёмники продают во многих магазинах, торгующих электроникой, их встраивают в мобильные телефоны, смартфоны, наручные электронные часы, КПК и онбордеры. Потребителям также предлагаются различные устройства и программные продукты, позволяющие видеть своё местонахождение на электронной карте; имеющие возможность прокладывать маршруты с учётом дорожных знаков, разрешённых поворотов и даже пробок; искать на карте конкретные дома и улицы, достопримечательности, кафе, больницы, автозаправки и прочие объекты инфраструктуры.
Высказывались предложения об интеграции систем Iridium и GPS.
Точность
Составляющие, которые влияют на погрешность одного спутника при измерении псевдодальности, приведены ниже [15] :
| Источник погрешности | Среднеквадратичное значение погрешности, м |
|---|---|
| Нестабильность работы генератора | 6,5 |
| Задержка в бортовой аппаратуре | 1,0 |
| Неопределённость пространственного положения спутника | 2,0 |
| Другие погрешности космического сегмента | 1,0 |
| Неточность эфемерид | 8,2 |
| Другие погрешности наземного сегмента | 1,8 |
| Ионосферная задержка | 4,5 |
| Тропосферная задержка | 3,9 |
| Шумовая ошибка приёмника | 2,9 |
| Многолучёвость | 2,4 |
| Другие ошибки сегмента пользователя | 1,0 |
| Суммарная погрешность | 13,1 |
Первоначально планировалось запустить 33 спутника нового поколения, но из-за технических проблем начало запуска перенесли с 2006 года на 2010 год, а количество спутников уменьшили с 33 до 12. На сентябрь 2018 года на орбиту выведены все двенадцать спутников из новой версии: GPS IIF SV-1 (запущен 28 мая 2010 года), GPS IIF-2 (запущен 16 июля 2011 года), GPS IIF-3 (запущен 4 октября 2012 года), GPS IIF-4 (запущен 15 мая 2013 года), GPS IIF-5 [en] (запущен 21 февраля 2014 года), GPS IIF-6 [en] (запущен 17 мая 2014 года), GPS IIF-7 [en] (запущен 2 августа 2014 года), …GPS IIF-8 (запущен 29 октября 2014 года), GPS IIF-9 (запущен 25 марта 2015 года), GPS IIF-10 (запущен 15 июля 2015 года), GPS IIF-11 (запущен 30 октября 2015 года), GPS IIF-12 (запущен 5 февраля 2016 года).
Недостатки
GPS реализована и эксплуатируется министерством обороны США, и поэтому есть полная зависимость от этого органа в получении другими пользователями точного сигнала GPS.
Хронология
| 1973 | Решение о разработке спутниковой навигационной системы |
| 1974—1979 | Испытание системы |
| 1977 | Приём сигнала от наземной станции, имитирующей спутник системы |
| 1978—1985 | Запуск одиннадцати спутников первой группы (Block I) |
| 1979 | Сокращение финансирования программы. Решение о запуске 18 спутников вместо запланированных 24. |
| 1980 | В связи с решением свернуть программу использования спутников Vela системы отслеживания ядерных взрывов, эти функции было решено возложить на спутники GPS. Старт первых спутников, оснащённых датчиками регистрации ядерных взрывов. |
| 1980—1982 | Дальнейшее сокращение финансирования программы |
| 1983 | После гибели самолёта компании Korean Airline, сбитого над территорией СССР, принято решение о предоставлении сигнала гражданским службам |
| 1986 | Гибель космического челнока Space Shuttle «Challenger» приостановила развитие программы, так как планировалось использование космических челноков для вывода на орбиту второй группы спутников. В результате основным транспортным средством была выбрана ракета-носитель «Дельта» |
| 1988 | Решение о развёртывании орбитальной группировки в 24 спутника. 18 спутников не в состоянии обеспечить бесперебойного функционирования системы. |
| 1989 | Активация спутников второй группы |
| 1990—1991 | Временное отключение SA (англ. selective availability — искусственно создаваемой для неавторизированных пользователей округления определения местоположения до 100 метров) в связи с войной в Персидском заливе и нехваткой военных моделей приёмников. Включение SA 1 июня 1991 года. |
| 08.12.1993 | Сообщение о первичной готовности системы (англ. Initial Operational Capability ). В этом же году принято окончательное решение о предоставлении сигнала для бесплатного пользования гражданским службам и частным лицам |
| 1994 | Спутниковая группировка укомплектована |
| 27.04.1995 | Полная готовность системы [18] (англ. Full Operational Capability ) |
| 01.05.2000 | Отключение SA для гражданских пользователей, таким образом точность определения выросла со 100 до 20 метров |
| 26.06.2004 | Подписание совместного заявления по обеспечению взаимодополняемости и совместимости Galileo и GPS |
| Декабрь 2006 | Российско-американские переговоры по сотрудничеству в области обеспечения взаимодополняемости космических навигационных систем ГЛОНАСС и GPS. |
Текущее состояние
Состав космической навигационной системы GPS на 13 сентября 2021 года [19] :
Всего в составе GPS: 32 космических аппарата