О Векторе
Обучение

Магазин
Фотогалерея
Видеогалерея

Творчество
Архив новостей






Программы обучения

Техника

Команда

Места полетов

Клуб

Путешествия

Прайслист

Расписание полётов








Контакты
Тел:
098-11-22-33
e-mail:
abuse@vector-pg.ru



Подписка
на новости




Во всех секторах и элементах GPS употребляется оборудование, построенное на самых современных "огромных разработках", но идеи в ее базе удивительно просты. Давайте рассмотрим из их 5 наиболее принципиальных

Мысль 1-ая: Местоопределение по расстояниям до спутников.

GPS базирована на определении координат местоположения по расстояниям до спутников. Это означает, что наши координаты на земле рассчитываются на базе измеренных системой расстояний до группы спутников в космосе. Спутники выполняют роль точно координированных точек отсчета.

Например, нежели мы знаем, что от нас до спутника А, скажем, 11000 км, то это значит, что мы находимся где-то на воображаемой сфере радиусом в 11000 км с центром, совпадающим со спутником А.

Нежели сходу расстояние до спутника В составляет 12000 км, то это еще больше уменьшит место, где мы можем находиться. Так как единственная область, где мы будем на расстоянии 11000 км от спутника А и 12000 км от спутника В, есть линия пересечения 2-ух сфер, т.е. окружность.

Позже, нежели мы произведем измерение дальности к тому же до третьего спутника, то сможем свести вероятное положение до 2-ух точек. Эти две точки находятся там, где сфера радиусом в 13000 км пересекается с окружностью, получившейся от пересечения сфер с радиусами 11000 км и 12000 км.

Обычно, одна из 2-ух точек - это неправдоподобное решение. Вычислители GPS-приемников снабжены различными устройствами, автоматом определяющими истинное положение из 2-ух вероятных.

Вместе с тем, нежели Вы точно осознаете свою высоту, как например моряки, находящиеся на уровне моря, Вы можете исключить одно из спутниковых измерений. Одна из сфер на рисунках может быть заменена на сферу с центром в центре Земли и радиусом, равным радиусу Земли плюс высота.

Таким образом:

  • Координаты местоположения рассчитываются РЅР° базе измеренных дальностей РґРѕ спутников.
  • Для определения местоположения необходимо провести четыре измерения.
  • 3-С… измерений достаточно, нежели исключить неправдоподобные решения.
  • Еще РѕРґРЅРѕ измерение требуется РїРѕ техническим причинам, которые Р±СѓРґСѓС‚ рассмотрены ниже.

Мысль 2-ая: Измерение расстояния до спутника.

Удивительно, но мысль, лежащая в базе измерения расстояния до спутника, есть всего-навсего старое равенство, c которым все мы встречались в школе: "расстояние есть скорость, умноженная на время движения". GPS работает, измеряя время, за которое радиосигнал доходит от спутника до нас, а позже по этому времени вычисляет расстояние.

Радиоволны распространяются со скоростью света: 300 000 км в секунду. Нежели мы сможем точно отыскать момент времени, в который спутник начал посылать свой радиосигнал, и момент, когда мы получили его, мы будем знать, как долго он шел до нас. И тогда, умножая скорость распространения сигнала на время в секундах, получим расстояние до спутника.

Естественно, что наши часы должны быть чрезвычайно точны, так как свет распространяется непостижимо быстро. Если бы спутник находился прямо над головой, потребовалось бы всего около 0,06 секунды для прохождения радиосигнала от спутника до нас.

GPS строится с применением совершенного способа измерения времени, основанного на атомном образце частоты, который обеспечивает ход бортовых часов спутника с наносекундной точностью. А это 0,000000001 секунды!

Главной трудностью при измерении времени прохождения радиосигнала является точное выделение момента времени, в который сигнал передан со спутника. Для этого создатели GPS обратились к разумной идее: синхронизировать спутники и приемники так, чтобы они генерировали один и тот же код точно в одно и то же время.

А далее, все, что нам остается сделать, так это принять код от спутника и посмотреть, как давно наш приемник сгенерировал тот же код. Выявленный таким образом сдвиг 1-го кода по отношению к другому будет соответствовать времени прохождения сигналом расстояния от спутника до приемника. Преимуществом использования кодовых посылок (кодовых последовательностей) будет то, что измерения временного сдвига могут быть проведены в хоть какой момент времени.

Как спутники, так и приемники генерируют очень сложные цифровые кодовые последовательности. Коды усложняются специально, чтобы их можно было бы надежно и однозначно сравнивать, также по некоторым другим причинам. Так или по другому, коды так сложны, что они смотрятся как длиннющий ряд случайных импульсов. В действительности они являются тщательно отобранными "псевдослучайными последовательностями", которые повторяются каждую миллисекунду.

Таким образом:

  • Расстояние РґРѕ спутника определяется СЃРїРѕСЃРѕР±РѕРј измерения промежутка времени, который требуется радиосигналу, чтобы дойти РѕС‚ спутника РґРѕ нас.
  • РњС‹ считаем, что как спутник, так Рё приемник генерируют РѕРґРёРЅ Рё тот же псевдослучайный РєРѕРґ строго СЃС…РѕРґСѓ РІ общей шкале времени.
  • РњС‹ определяем, сколько времени потребовалось сигналу СЃРѕ спутника, чтобы дойти РґРѕ нас, СЃРїРѕСЃРѕР±РѕРј сравнения запаздывания его псевдослучайного РєРѕРґР° РїРѕ отношению РєРѕРґСѓ приемника.

Мысль 3-я: Обеспечение совершенной временной привязки.

Нежели спутник и приемник имеют расхождение шкал времени (выходят из синхронизации) даже на 0,01 с, измерение расстояния будет произведено с ошибкой в 2993 км !

По крайней мере одну сторону трудности синхронизации часов обеспечить достаточно просто.

На борту спутников установлены атомные часы. Они лишь точные и дорогие. Они стоят около 100000 баксов, и каждый спутник имеет их 4 штуки, чтобы можно было бы гарантировать, что во всяком случае хотя бы одни работают обязательно.

К счастью, существует способ обойтись в наших приемниках часами умеренной точности - секрет в том, чтобы произвести измерение дальности еще до 1-го спутника.

Он состоит в том, что нежели три точных измерения определяют положение точки в трехмерном пространстве, то четыре неточных дозволят исключить относительное смещение шкалы времени приемника.

Естественно, GPS - трехмерная система, но принцип, который мы обсуждаем, для простоты изложения мы рассмотрим на плоскости, т.е. в 2-ух измерениях.

Вот как это происходит. Предположим, часы приемника не так совершенны, как атомные. Их ход соответствует кварцевым часам, но они не на сто процентов сверены с единым временем системы. Скажем, они отстают на одну секунду. Давайте посмотрим, как это скажется на вычислении нашего местоположения.

Предположим, что мы находимся в 4 секундах от спутника А, и в 6 секундах от спутника В. На плоскости этих 2-ух измерений было бы достаточно для привязки нашего местоположения к какой-либо одной точке фактического местоположения.

Если бы мы употребляли приемник с часами, отстающими на секунду, он определил бы, что расстояние до спутника А составляет 5 секунд, а до спутника В - семь секунд. В итоге покажутся две новые окружности, пресекающиеся уже в другой точке.

Давайте добавим еще одно измерение. В двухмерном варианте это означает внедрение третьего спутника.

Предположим, (нежели у нас совершенные часы) спутник С находится в восьми секундах от нашего реального положения и все три окружности пересекаются в одной точке, так как они соответствуют реальным дальностям до 3-х спутников.

Нежели добавить одну секунду отставания ко всем трем измерениям, то новые окружности, соответствующие уже не реальным дальностям, а так называемым "псевдодальностям", не пересекутся в одной точке, а образуют некоторый треугольник, и вероятное положение окажется где-то внутри него.

Таким образом, не существует точки, которая может быть сходу в 5, 7 и 9 секундах соответственно от точек А, В и С. Это на физическом уровне нереально.

При обработке ошибочных сигналов компьютер приемника начинает вычитание (или прибавление) некоторого (1-го и того же для всех измерений) интервала времени, к измеренным им псевдодальностям. Он продолжает корректировать время во всех измерениях до тех пор, пока не найдет решение, которое "проводит" все окружности через одну точку.

Из произнесенного следует, что при трехмерном местоопределении (т.е. при одновременном определении 3-х координат - долготы, широты и высоты точки над принятым в расчетах земным эллипсоидом) необходимо выполнить четыре измерения, чтобы исключить погрешность временной привязки часов приемника к одному системному времени.

Необходимость в 4-х измерениях самым весомым образом сказывается на проектировании GPS-приемников. Нежели необходимо делать непрерывное местоопределение в реальном масштабе времени, то следует использовать приемник, имеющий по крайней мере четыре канала измерений. Иными словами такой, у которого с каждым из 4 спутников постоянно работает отдельный канал приема и первичной обработки сигналов.

Таким образом:

  • Точная временная РїСЂРёРІСЏР·РєР° - ключ Рє измерению расстояний РґРѕ спутников.
  • Спутники точны РїРѕ времени, потому что РЅР° борту Сѓ РёС… - атомные часы.
  • Часы приемника РјРѕРіСѓС‚ РЅРµ быть совершенными, так как РёС… СѓС…РѕРґ можно исключить РїСЂРё помощи тригонометрических вычислений.
  • Для получения данной возможности необходимо произвести измерение расстояния РґРѕ 4-РѕРіРѕ спутника.
  • Необходимость РІ проведении 4 измерений обрисовывает устройство приемника.

Мысль 4-ая: Определение положения спутника в космическом пространстве.

До сих пор во всех наших рассуждениях мы принимали, что знаем точно, где в космическом пространстве находятся спутники и, исходя из этого, можем вычислить наше положение по их координатам и расстояниям до их. Но как узнать, где в космическом пространстве располагается нечто, двигающееся с большой скоростью и удаленное от нас на расстояние в 18000 км?

Англичане молвят: "Кому на месте не сидится, тот добра не наживает". Для высоколетящего спутника 18000-километровая высота является настоящим приобретением. Все на такой высоте находится на 100 процентов вне земной атмосферы. А это означает, что полет по орбите вокруг Земли будет описываться очень обыденный математикой. Подобно Луне, которая надежно вращается вокруг нашей старой планеты миллионы лет без каких-либо важных конфигураций в периоде обращения, спутники GPS совершают такое же очень предсказуемое орбитальное движение вокруг Земли.

Орбиты известны заранее, а приемники имеют "альманах", размещаемый в памяти их компютеров, из которого понятно, где будет находиться каждый спутник в хоть какой момент времени.

Чтобы сделать систему более совершенной движение спутников GPS находится под постоянным контролем особенных наземных станций слежения. Обращаясь вокруг планеты один раз за 12 часов, спутники GPS проходят над контрольными станциями дважды в день. Это дает возможность точно измерять их высоту, положение и скорость.

После того, как станции определили свойства движения спутника, они передают эту информацию обратно на спутник, заменяя ею в памяти бортового компютера прежнюю. Далее эти мелкие поправки вместе с дальномерными кодовыми сигналами будут непрерывно передаваться спутником на Землю.

Спутники GPS передают не только псевдослучайный дальномерный код, но также и информационные сообщения о своем точном положении на орбите и о состоянии собственных бортовых систем.

Все виды приемников GPS употребляют эту информацию вместе с информацией, заключенной в альманахе, для того, чтобы установить точное положение каждого спутника в космическом пространстве.

Таким образом:

  • Для вычисления собственных координат нам необходимо знать как расстояния РґРѕ спутников, так Рё местонахождение каждого РІ космическом пространстве.
  • Спутники GPS движутся так высоко, что РёС… орбиты очень стабильны Рё РёС… можно предсказывать СЃ большой точностью.
  • Станции слежения постоянно измеряют незначимые конфигурации РІ орбитах, Рё данные Рѕ этих конфигурациях передаются СЃРѕ спутников.

Мысль 5-ая: Ионосферные и атмосферные задержки сигналов.

Но как бы совершенна ни была система, есть два источника погрешностей, которые очень тяжело избежать. Наиболее значимые из этих погрешностей возникают при прохождении радиосигналом ионосферы Земли - слоя заряженных частиц на высоте от 120 до 200 км.

Эти частицы весомым образом влияют на скорость распространения света, а следовательно, и на скорость распространения радиосигналов GPS. А это делает невозможными наши вычисления расстояний до спутников, потому что они построены на предположении о том, что скорость распространения радиоволн строго постоянна.

Есть два метода, которые можно использовать, чтобы сделать ошибку малой.

Во-1-х, мы можем предсказать, каково будет обыденное изменение скорости в обыденный день, при средних ионосферных аспектах, а позже ввести поправку во все наши измерения. Но, к огорчению, не каждый день является обыденным.

Другой способ состоит в сравнении скоростей распространения 2-ух сигналов, имеющих разные частоты несущих колебаний.

Таким образом, нежели мы сравним время распространения 2-ух разночастотных компонент сигнала GPS, то сможем выяснить, какое замедление имело место. Этот метод корректировки достаточно сложен и употребляется только в наиболее совершенных, так называемых "двухчастотных" приемниках GPS.

После того, как сигналы GPS пересекли ионосферу, расположенную очень высоко, они входят в атмосферу, в которой происходят все погодные явления. Водяные пары в атмосфере также могут влиять на радиосигналы. Ошибки по величине схожи с ошибками, вызываемыми ионосферой, но их фактически нереально скорректировать. К счастью, их суммарный вклад в погрешность местоположения значительно меньше, чем ширина обычной улицы.

Другие виды погрешностей.

Как бы точны ни были атомные часы на спутниках, все же и у их имеются источники малеханьких погрешностей. Особенные станции глядят за этими часами и могут выверить их, нежели выявиться хотя бы незначимый уход.

Наши приемники на Земле также время от времени ошибаются. Компьютер приемника может округлить математическую операцию, или электрические помехи могут привести к ошибочной обработке псевдослучайных кодов.

Очередной тип погрешностей - это ошибки "многолучевости". Они возникают, когда сигналы, передаваемые со спутника, многократно переотражаются от окружающих предметов и поверхностей до того, как попадают в приемник.

Все источники погрешностей, которые мы до сих пор обсуждали, суммируются и придают каждому измерению GPS некоторую неопределенность.

Геометрия - некоторые углы лучше других.

Для награды большей точности в хорошем приемнике GPS учитывается некоторый обычный геометрический принцип, названный "Geometric Dilution of Precision - GDOP" (геометрический фактор снижения точности).

Суть в том, что в зависимости от взаимного расположения спутников на небосводе геометрические соотношения, которыми характеризуется это размещение, могут многократно увеличивать или уменьшать все неопределенности, о которых мы только что говорили.

Мы представляли наше положение относительно спутников в виде окружностей, центры которых совмещены со спутниками. Ну а на данный момент, когда мы знаем, что каждое измерение содержит в себе и небольшую неопределенность, нам следует эти четкие окружности вообразить размытыми.

Наличие областей неопределенности означает, что мы не можем больше считать, что находимся в правильно определенной точке. Можно сказать лишь, что мы где-то внутри данной суммарной области неопределенности...

Вот что такое "Геометрический фактор уменьшения точности".

В зависимости от угла меж направлениями на спутники область пересечения размытых окружностей (область неопределенности местоположения) может быть либо усмотрительным небольшим квадратиком, либо сильно растянутым и неверным четырехугольником.

Проще говоря, чем больше угол меж направлениями на спутники, тем точнее местоопределение.

Исходя из этого, хорошие приемники снабжают вычислительными процедурами, которые анализируют относительные положения всех доступных для наблюдения спутников и выбирают из их 4 кандидатов, т.е. наилучшим образом расположенные четыре спутника.

Точность GPS

Результирующая погрешность GPS определяется суммой погрешностей от различных источников. Вклад каждого из их варьируется в зависимости от атмосферных аспект и характеристики оборудования. Не считая того, точность может быть целенаправленно снижена Министерством обороны США в итоге установки на спутниках GPS так называемого режима S/A ("Selective Availability"- ограниченный доступ). Этот режим разработан для того, чтобы не дать вероятному противнику тактического плюсы в определении местоположения с помощью GPS. Когда и нежели этот режим установлен, он создает наиболее существенную компоненту суммарной погрешности GPS.

Таким образом:

  • Ионосфера Рё атмосфера Земли вызывают задержки сигнала GPS, которые можно пересчитать РІ ошибки местоопределения.
  • Некоторые РёР· этих ошибок РјРѕРіСѓС‚ быть устранены математически Рё СЃРїРѕСЃРѕР±РѕРј моделирования.
  • Другие источники ошибок - это часы спутников, приемники, Рё многолучевость.
  • РќРµ наилучшее взаимное размещение спутников РІ небе РїСЂРёРІРѕРґРёС‚ Рє увеличению всех компонент суммарной погрешности местоопределения.



Просто 22 факта
Мы работаем для того, чтобы вы летали лучше, чем мечтали… /

подробнее...

Ближайшие полеты

Вторник, 2 Октября и, возможно, Среда, 3 Октября, Кончинка

подробнее...

Наши спонсоры:

Много свежих фото

подробнее...


Copyright ©2002 Vector