Мегапроекти: Системата GPS

Автор: Infoweek

16 Декември 2001, Неделя, 17:52

Както често се случва при високо-технологичните проекти, системата GPS (Global Positioning System) е била разработена от военните. Проектът за сателитна мрежа, която да определя положението във всяка точка на земното кълбо и в реално време, е бил наречен Navstar (Navigation system with timing and ranging). Съкращението GPS се появи малко по-късно, когато системата започна да се използва не само за отбранителни, но и за цивилни обекти.

Първите стъпки в развитието на GPS бяха направени в средата на 70-те години, а търговското използване започна едва през 1995-та. Понастоящем системата има 28 сателита, които са разпределени равномерно в орбита на височина 20350 километра (24 сателита са достатъчни за полуфункционална работа).

Избързвайки малко напред, би трябвало да споменем, че решението на президента на САЩ за прекратяване на SA режима от 1-ви май 2000 г. се оказа ключов момент в развитието на GPS. SA (selective availability) или избирателна достъпност, представлява една несигурност, изкуствено внесена в сателитните сигнали, с цел да причини неточната работа на гражданските GPS-приемници. От получените данни един любителски терминал може да определи координатите с точност до няколко метра (преди това ставаше с точност до няколко десетки метра)!

Как работи GPS
Всеки сателит от GPS генерира постоянно радиовълни с две честоти: L1=1575.42 MHz и L2=1227.60 MHz. Мощността на излъчвателя съответно е 50 и 8 W. Навигационният сигнал представлява PRN (Pseudo Random Number code). PRN може да бъде два вида: първият вид, кодът C/A (Coarse Acquisition code), се използва за граждански приемници; вторият, P-код (Precision code), се използва за военни цели, а понякога и в геодезията и за решаване на картографски проблеми. Честотата L1 се модулира и с двата кода - C/A и P; честотата L2 е предвидена само за предаване на P-код.

Извън споменатите кодове, съществува и Y-код, който всъщност е криптиран P-код (във военно време системата от кодове може да се промени). Периодът на повторение е огромен (например, за P-кода той е равен на 267 дни). Всеки GPS-приемник има свой собствен генератор, който работи на същата честота и модулира сигнала на същия принцип, както генераторът на сателита. По този начин, знаейки закъснението между идентичните части на кода, който е бил получен от сателита и генериран независимо, можете да изчислите времето на пътуване на сигнала и от там - разстоянието до сателита.

Един от сериозните технически проблеми е синхронизацията между часовниците на сателита и приемника. Дори и най-малката грешка може да доведе до огромна неточност при изчислението на разстоянието. Всеки сателит има високопрецизен атомен часовник. Разбира се, не е възможно да се инсталира такъв прибор на всеки наземен приемник. Ето защо се използва известно излишество на данните.

Освен навигационните сигнали, сателитът предава и служебна информация - ефемериди (прецизни данни за орбитата на сателита), прогноза за закъснението по време на пътуването на сигнала през йоносферата (скоростта на светлината се променя при преминаване през различните атмосферни слоеве) и данни за работоспособността на сателита (тай нареченият "алманах", който съдържа данни, обновявани на всеки 12.5 минути, за състоянието и орбитата на всички сателити). Тези данни се предават със скорост 50 бита/сек на честота L1 или L2.

Определяне на местоположението
Основната идея при определянето на местоположението чрез GPS-приемник е изчисляване на разстоянието от него до няколко сателита, чието разположение се приема за известно (тези данни се съхраняват в получения от сателита алманах). В геодезията, подобен метод за изчисление се нарича трилатерация. Този метод, базиран на три сателита, работи идеално, когато стойностите са прецизни. Но винаги съществува известна неточност в изчисленията, причинена от неакуратна синхронизация между часовниците, влияние на атмосферните условия върху скоростта на светлината и т.н.). Поради това, в практиката се използват не три, а най-малко четири сателита. След приемане на сигнал от 4 или повече сателита, приемникът започва да изчислява точката на пресичане на съответните сфери. Ако такава точка липсва, процесорът на приемника коригира своя часовник по метода на последователните приближения, докато не получи търсената точка.

Неточността при изчисленията може да се дължи също и на грешка в позиционната стойност на сателитите. За контрол на орбитите и разположението на сателитите има 4 наземни проследяващи станции, които се намират под управлението на Министерството на отбраната на САЩ. Проследяващите станции непрекъснато бдят над сателитите в системата и предават данни за техните орбити в контролния център, където се изчисляват прецизираните данни за траекторията и корекциите на сателитните часовници. Тези данни се записват в алманаха и се предават към сателитите, след което последните ги предават към приемниците.

След отмяната на SA режима, положението на гражданските приемници може да бъде определено в рамките на 3-5 метра (височината се определя с точност до 10 метра). Тези данни могат да бъдат получени с 6-8 сателита (въпреки, че много съвременни устройства притежават 12-канален приемник и съответно могат да получават сигнал от 12 сателита едновременно).

Грешката може да се намали до няколко сантиметра чрез режима DGPS (Differential GPS). Той изисква два приемника - първият е разположен в точката с определените координати и е познат като "базов", а другият се нарича мобилен. Данните от базовия приемник се използват за коригиране на информацията, получена от мобилния приемник. Коригирането може да се извършва както в реално време, така и в оф-лайн режим на обработка на данните. За базови обикновено се използват професионални приемници на компании, които са специализирани в навигацията или геодезията. За диференциална корекция на GPS данни, освен базови наземни приемници може да се използва и сателитната система за диференциални услуги на компанията OmniStar. Данните за корекция се предават от геостационарните сателити на компанията.

Основните потребители на диференциалните корекции са геодезичните и топографските проучвания. За частни цели DGPS не представлява интерес поради високата си цена (например, с OmniStar тази услуга ще ви струва над $1500 годишно) и голямото като размер оборудване.

Комерсиалните продукти
На пазара се предлагат различни модели GPS навигатори. Цените на тези устройства варират от под $100 до $200-300. Към навигатора вървят и различни аксесоари - кутии, кабели за свързване към РС, устройства за монтиране на навигатора, например върху дръжката на колело и др. На пръв поглед навигаторът прилича на мобилен телефон от старото поколение, но включва и дебела антена, голям дисплей и малко клавиши.

Когато се включи устройството, започва процес на събиране на информация от сателитите и на дисплея се извежда простичка анимация (въртящ се глобус). След инициализацията (която отнема няколко минути на открито), екранът показва примитивна карта на небето с номерата на видимите сателити, а след това и хистограма, която показва нивото на сигнала от всеки един сателит. Освен това, може да се прочете и грешката (в метри).

Интерфейсът е базиран на принципа на прелистваните страници (бутон PAGE). Освен "сателитната страница", спомената по-горе, съществуват още "навигационна страница", "карта", "предходна страница", "страница с меню" и някои други. В навигационната страница могат да се видят абсолютните географски координати, изминатият маршрут, текущата и средната скорост, надморската височина, времето на пътуване и електронен компас. Изминатият маршрут е отбелязан върху "картата". Мащабът може да се променя от десетки метри до стотици километри.

Най-удивителното нещо е, че паметта съдържа карти на основните градове в света! Представете си, че трябва да стигнете до Вашингтон. Намирате този град в паметта, натискате бутона "GO TO" и върху дисплея ще видите посоката към града от мястото, където се намирате, глобален маршрут към Вашингтон, колко километра (по пряка линия, разбира се) има от вас до крайната цел, средна скорост и очаквано време на пристигане.

Друга важна функция е тази за връщане. Паметта пази примерно до 500 пътни точки. Всяка точка може да бъде наименована по ваше желание, освен това има разни пиктограми за извеждане на информацията. Превключването чрез тази функция към някаква точка ще изведе на екрана същата информация, както в описания пример с Вашингтон.

Навигаторът предлага множество други интересни възможности. Можете да използвате устройството както в хоризонтално положение (например, в колата), така и във вертикално - когато ходите пеш. Освен в колите, GPS-приемниците могат да се монтират в мобилните телефони, дори в часовника ви! Наскоро се появи съобщение за нов миниатюрен чип, който комбинира GPS-приемник и GSM модул - препоръчваше се инсталирането му в кучешките каишки, за да можете да откривате домашните си любимци посредством клетъчно радио!