Что такое GPS?

Что такое GPS?
Спутниковая навигационная система
GPS
(Global
Глобальная
Positioning
система
местоопределения.
официальное
System)
или
позиционирования
Система
название
–
GPS
NAVSTAR
(Navigation System of Timing and Ranging –
навигационная система
для измерения
времени и расстояния) предназначена для
определения
движения,
местоположения,
а
также
точного
скорости
времени
морских, воздушных, сухопутных и других видов потребителей.
Основными достоинствами GPS являются:
- непрерывная 24-х часовая доступность;
- глобальность – местоопределение по всему земному шару;
- широкий спектр определяемых параметров (координаты, скорость, время);
- высокая точность определений:
в автономном режиме – 10-15 м;
в дифференциальном режиме:
- по коду сигнала в постобработке или в реальном масштабе времени – от 1м
до 5 м;
- по фазе сигнала – от 3 мм;
времени – 5 нано сек;
скорости – от 0,1 м/с.
Навигационные
системы
являются
независимыми
(полностью
автономными) и беззапросными (пользовательская аппаратура только принимает
сигнал, не посылая запрос на спутник
Как работает система GPS?
Спутники GPS вращаются вокруг Земли на высоте около 20 000 км по 6
круговым орбитам по 4 ИСЗ на каждой с частотой 2 оборота в сутки, передавая
радиосигналы в диапазонах: L1=1575,42 МГц и L2=1227,60 МГц, последние
модели также на L5=1176,45 МГц. Навигационная информация может быть
принята антенной (обычно в условиях прямой видимости спутников) и обработана
при помощи GPS-приёмника. Информация в C/A коде (стандартной точности),
передаваемая на частоте
L1, распространяется свободно, бесплатно, без
ограничений на использование. Военное применение (точность выше на порядок)
обеспечивается зашифрованным P(Y) кодом. 24 спутника обеспечивают 100%
работоспособность системы в любой точке земного шара, но не всегда могут
обеспечить уверенный приём и хороший расчёт позиции.
Приемник сравнивает время излучения сигнала с временем приема этого
сигнала. Разность между этими величинами позволяет вычислить расстояние до
спутника. Зная расстояние до нескольких спутников, GPS-приемник может
определить свое местоположение и отобразить его на электронной карте.
Определив местоположение пользователя, приемник может вычислить
скорость, путевой угол, траекторию, пройденное расстояние, расстояние до
конечного пункта, время восхода и захода солнца и многое другое.
Структура GPS
GPS состоит из трех секторов (сегментов):
- космический (созвездие спутников)
- управления и контроля (осуществляется наземные станции контроля
космического сегмента. Слежение за орбитальной группировкой осуществляется с
главной контрольной станции, расположенной на авиабазе ВВС США Schriever,
штат Колорадо, США и с помощью 10 станций слежения);
- потребителя (Состоит из навигационных приемников и устройств обработки,
предназначенных для приема навигационных сигналов спутников и
вычисления собственных координат)
Принцип работы GPS
Вычислив координаты спутника, зная точное расстояние от спутника до
земли и эталонное время распространения радиосигнала, приёмная аппаратура
сможет вычислить расстояние от спутника до пользовательского приёмника, а
вычислив расстояние до нескольких спутников, можно будет определить своё
местоположение. Вот как это происходит в теории:
Вычислив расстояние от спутника № 1 до приёмника, представим сферу, где
центром будет спутник № 1
Вычислив расстояние от приёмника до спутника № 2, представим себе вторую
сферу, где центром будет спутник № 2 область. Где эти две сферы пересекутся, и
будет областью нашего предполагаемого местонахождения.
Для получения более точных данных нам понадобится информация о расстоянии
до спутника № 3 и одна из двух точек. Место пересечения трёх предполагаемых
сфер и будет местом нашего позиционирования.
Для
устранения
неверного
решения
и
одновременного
позиционирования потребуется чётвертый спутник.
уточнения
места
Применение GPS
Применение GPS находят в очень широких сферах. Условно можно
разграничить применение GPS на два основных сектора:
- навигация и высокоточное определение
GPS
Навигация
В/т определение
морская
геодезия и картография
аэро
строительство
транспортная
мониторинг
космическая
синхронизация
спорт
потребности Мин обороны
системы безопасности
сельское хозяйство
Создание опорной сети
Создание опорной сети - это определение координат выбранных опорных
марок в интересующем вас районе. При создании опорной сети определяются
очень точные координаты, и поэтому используются методы, которые могут
занимать много времени и быть дорогостоящими, применяются Статические
наблюдения.
GPS применяется для создания трех видов геодезических сетей:
- государственные геодезические сети (10-20км; 1 пункт на 1000 км2;
1см<СКО<1.5 см)
- городские геодезические сети (учет городской СК; 5-10см)
- локальные сети специфического назначения (частные)
Концепция создания государственной сети должна строиться на рациональном и
эффективном ее использовании для широкого круга задач
точностью.
Строительство и горное дело
с достаточной
Основные задачи, решаемые с помощью GPS в строительстве и горном деле:
- создание и сгущение сетей на строительных площадках и карьерах;
- привязка таких сетей к городским пунктам или к пунктам СГС-1 с высокой
точностью;
- разбивка стройплощадок;
- вынос в натуру точек с проекта при строительстве,
- использование GPS в строительном оборудовании: на ковше экскаватора, на
грейдере
при
подготовительных
земляных
работах,
на
асфальто-
и
бетоноукладчиках, на диагностических установках;
- использование GPS в RTK для оперативного определения объемов выработки в
карьерах;
Особенности применения GPS в строительстве:
- высокая точность, как в плане, так и по высоте;
- применение GPS совместно с тахеометрами, построителями плоскости,
лазерными сканерами;
- комбинирование различных режимов съемки (Static, Stop&Go (PPK), RTK) и т.д.
Точность позиционирования GPS
• Навигационная: 5-15 м
• Картографическая (ГИС-класс): 50-100 см
• Геодезическая: 5 - 10 мм
Для увеличения точности позиционирования используются вспомогательные
местные системы позиционирования:
• OmniSTAR (спутниковая коррекция путём передачи поправок, точность от
1м до 10 см)
• SBAS (спутниковые системы дифференциальной коррекции)
• WAAS – для NAVSTAR в США;
• EGNOS – для GALILEO в Европе;
• MTSAT – для QZSS в Японии.
Погрешности в GPS данных
Влияние ионосферы. Короткие базовые линии.
Длинные базовые линии
Источники ошибки местоопределения:
• ионосферные и тропосферные задержки;
• эфемеридные погрешности (систематические и случайные(шум));
• многолучевой прием (переотражение сигнала);
• инструментальные (ошибка часов приемника, погрешности из-за антенн,
временные задержки в каналах);
• орбитальные ошибки;
• число видимых спутников (геометрия спутникового созвездия (DOP));
• ошибки операторов (измерение высоты антенны);
• намеренное
загрубление
сигнала
GPS.
Программа
избирательной
доступности (Selective Availability, SA) Министерства обороны США
предусматривала намеренное внесение ошибки в сигнал GPS. Целью этой
программы было предотвращение возможного использования гражданских
GPS-приемников в военных целях.
Мировые лидеры геодезических и картографических
GPS:
1. TRIMBLE (США)
2. TOPCON (Япония)
Мировые лидеры в навигационных GPS:
1. GARMIN (США)
2. MAGELLAN
3. TOM TOM
Глоссарий
GPS – Глобальная Система Позиционирования (Global Positioning System - англ.);
GNSS – Глобальная Навигационная Спутниковая Система (Global Navigation
Satellites System - англ.);
NAVSTAR - измерение времени и расстояния от навигационных спутников
(NAVigation Satellites providing Time And Range - англ.);
ГЛОНАСС – Глобальная Навигационная Спутниковая Система;
GALILEO – глобальная навигационная спутниковая система Европы;
QZSS – Японская Quasi-Zenith навигационная система;
Позиционирование – определение своего местоположения в пространстве;
Эфемерида - спрогнозированные параметры орбиты и их производные
Альманах – набор сведений, о текущем состоянии навигационной системы в
целом, включая загрублённые эфемериды применяемые для поиска видимых
спутников и выбора оптимального созвездия и содержащих сведения.
Навигационные сообщения – передаваемые спутником пакетные данные,
содержащие эфемериду с метками времени и альманахом. (эфемериды; поправки
часов; системное время GPS; поправки ионосферы; состояние работоспособности
спутника и т.д.)
Инициализация – это фиксирование спутников, которые участвуют в определении
координат.