Обзоры
GPS. Как это работает?

GPS. Как это работает?


Проблема определения точных географических координат была актуальна с давних времен. Древние мореплаватели, к примеру, ориентировались днем по солнцу, а ночью по звездам. Изобретение компаса существенно упростило задачу. Но лишь с выходом человека в космос появилась практическая возможность разработки системы глобального позиционирования.

GPS. Как это работает?

Разработка системы глобального позиционирования GPS началась в декабре 1973 г. Изначально она использовалась для высокоточного и независимого от погоды определения местоположения объектов в космосе, на суше и на море в интересах армии США. Непосредственная реализация системы началась в 1978 г. с запуском первого спутника. Детство у GPS было трудное, серьезным ударом стала трагическая гибель отклонившегося от курса южнокорейского «Боинга-747», сбитого советским истребителем над Татарским проливом – на нем была установлена именно эта система навигации. Под давлением обстоятельств Пентагон отказался от полномасштабной поддержки спутниковой группировки и, чтобы ее как-то спасти, GPS была рассекречена. По аналогии с Интернетом, коммерческий интерес гражданских разработчиков дал значительный толчок развитию и совершенствованию системы. С 1983 г. GPS открыта для использования в гражданских целях, в 1989 г. произведен запуск спутников нового поколения, а два года спустя были сняты ограничения на продажу GPS-оборудования в страны бывшего СССР.

Используемый принцип

GPS. Как это работает?

В основе работы системы глобального позиционирования лежит принцип спутниковой трилатерации, согласно которому координаты объекта на поверхности Земли могут быть вычислены по измерениям расстояний до спутников. Зная точную дистанцию хотя бы до трех спутников, вокруг них очерчивается воображаемая сфера соответствующего радиуса. Точка пересечения этих сфер и будет отвечать искомой координате.

Наземный сегмент

Станции слежения непрерывно контролируют движение космических аппаратов и передают информацию в центр управления, где вычисляют уточненные элементы спутниковых орбит и коэффициенты поправок шкал времени. Эти данные поступают по каналам станций связи на спутники не реже чем один раз в сутки.

GPS. Как это работает?

Космический сегмент системы

На круговых орбитах радиусом 22 200 км, расположенных под углом 60° друг к другу, со скоростью 11 000 км/ч движутся 24 спутника, совершая один оборот вокруг Земли за период, приблизительно равный 12 часам.

Спутники

Вес каждого спутника около 900 кг, размер более 5 м, включая солнечные батареи. На каждом установлены атомные часы, обеспечивающие высокую точность (10-9 с), вычислительно-кодирующее устройство и передатчики мощностью 50 Вт и 8 Вт. Такие жесткие требования к погрешностям измерения времени обусловлены тем, что расхождение всего в 1/1000 с даст ошибку местоположения около 300 км.

GPS-приемник

GPS. Как это работает?GPS. Как это работает?

Некоторые современные цифровые аппараты позволяют подключать посредством шнура-адаптера GPS-устройства сторонних производителей, о чем сообщается в инструкции пользователя, а камера Nikon P6000 даже имеет встроенный GPS-приемник. Это дает возможность записывать текущие координаты места съемки в EXIF-данные фотографии.

Синхронизация

Для вычисления координат нужно точно синхронизировать часы спутников и приемника. Таким образом, время является четвертой неизвестной в системе уравнений. Для решения этой задачи необходим сигнал четвертого космического аппарата. Вообще же, чем большее число спутников обнаружит GPS-приемник, тем точнее будет определено его положение.

Кстати

Строго говоря, пересечение двух сфер – это окружность, которая пересекается с третьей в двух точках. В большинстве случаев одна из них отбрасывается как неправдоподобное решение, поскольку находится очень глубоко под землей или слишком высоко над поверхностью.


Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: