Глобальна система позиціонування (GPS) – це супутникове угруповання, що забезпечує високоточне позиціонування, навігацію і синхронізацію (PNT) по всьому світу. Як одна з перших систем супутникового позиціонування, GPS стала невід’ємною частиною роботи, що виконується в усьому світі, включаючи точне землеробство, автономні транспортні засоби, морську або повітряну зйомку та оборонні програми.
У цій статті ми пояснюємо, що таке GPS, як вона працює, які відмінності між GPS та іншими супутниковими системами, такими як Глобальні навігаційні супутникові системи (ГНСС або GNSS), а також обладнання та програми, які підтримує GPS. Ви можете знайти більше інформації про GPS і супутникові технології в книзі “(An Introduction to GNSS)”.
Що таке GPS?
GPS – це одна з багатьох GNSS, яка забезпечує вимірювання позиціонування, навігації та часу (PNT). Хоча GPS експлуатується Космічними силами США, підрозділом Збройних сил США, вона доступна для використання будь-кому у всьому світі.
GPS була заснована в 1973 році, а перший супутник був запущений в 1978 році. Супутники розробляються і запускаються серіями, відомими як блоки. Загалом, між 1978 і 1981 роками було запущено 10 супутників GPS Block I. Супутники серії Block II запускалися починаючи з 1989 року і були здатні вести трансляцію на двох радіочастотах L-діапазону. Супутники GPS Block II мали кілька серій розвитку, включаючи Block IIA, IIR, IIR-M і IIF. Кожна серія супутників ґрунтувалася на попередніх конструкціях і можливостях, кульмінацією яких став Блок III. Це третє покоління супутників GPS починається з нових сигналів серії Block IIIA та більшої потужності трансляції сигналу. Перший супутник IIIA з 10 був запущений у 2018 році.
Як працює GPS?
Як і багато інших супутникових систем GNSS, GPS складається з трьох основних сегментів: космічний сегмент, сегмент управління та користувацький сегмент.
Космічний сегмент GPS включає понад 30 супутників на орбіті, які експлуатуються та обслуговуються Космічними силами США. Ці супутники передають радіосигнали на станції управління і моніторингу на Землі і безпосередньо користувачам, які потребують високоточного супутникового позиціонування.
Космічні сили США також контролюють сегмент управління GPS. Він включає в себе головні та резервні станції управління, спеціальні наземні антени і кілька станцій моніторингу, розташованих по всьому світу. Ці станції стежать за тим, щоб супутники GPS були справними, перебували на правильних орбітах і мали на борту точний атомний годинник. Ці станції є невід’ємною частиною що слідкує за загальним станом та точностію сузір’я GPS.
Сегмент користувачів включає всіх, хто використовує супутники GPS для вимірювань PNT. Від мобільних телефонів, що надають вказівки автономним транспортним засобам, які потребують точності позиціонування на рівні смуги руху; від фермерів, що відстежують маршрути посадки і збору врожаю з року в рік, до БПЛА, що картографує тропічні ліси – існує багато варіантів використння GPS для позиціонування з високою точністю по всьому світу.
Що таке супутникові сигнали GPS?
Супутники постійно передають своє орбітальне положення і точний час на цій позиції по радіоканалах. Цей сигнал приймається антенами разом із щонайменше трьома іншими супутниковими сигналами, а потім обробляється в GPS-приймачі для обчислення місцезнаходження користувача.
GPS працює на цивільних частотах L1 (1575,42 МГц), L2 (1227,60 МГц) і L5 (1176,45 МГц); GPS також працює на частотах L3 (1381,05 МГц) і L4 (1379,913 МГц) для урядових і регіональних супутникових систем підсилення (SBAS). Декілька супутників також передають M-код – військовий код, який передається на частотах L1 і L2, призначених для ексклюзивного використання військовими США.
Що таке М-код?
M-код – це специфічний GPS-сигнал, який транслюється для підтримки Міністерства оборони США. Вперше цей сигнал транслювався із запуском супутника Block IIR-M у 2005 році. M-код забезпечує рівень захисту від перешкод через 21 супутник GPS, що підтримує M-код.
М-код транслюється на існуючих частотах L1 і L2 L-діапазону GPS, але модулюється, щоб не створювати перешкод для сигналів L1/L2. Військові приймачі можуть обчислювати PNT лише за допомогою M-коду. Крім того, військові програми використовують M-код для збільшення потужності сигналів L1 і L2, щоб підвищити стійкість до перешкод, глушіння і підміни. Сигнали GPS все ще чутливі до глушіння, але М-код забезпечує високий рівень захисту від таких перешкод. Існує багато додаткових рівнів захисту від перешкод, які є критично важливими для забезпечення надійної роботи GPS-систем.
Точність GPS
Система позиціонування настільки хороша, наскільки хороший процесор її обробляє. Високоточний професійний GPS-приймач буде набагато точнішим, ніж, наприклад, GPS-приймач в мобільному телефоні. Потенційні джерела помилок визначаються і моделюються на станціях моніторингу та управління для оптимізації точності.
Більшість помилок виникають через похибки годинника, орбітальний “дрейф”, атмосферні та багатопроменеві затримки і радіочастотні перешкоди. Ці джерела постійно загрожують точності позиціонування, навігації і синхронізації, сприяючи геометричному розмиванню точності.
Деякі технології допомагають зменшити розмивання точності і ці помилки, в тому числі підписка на послуги корекції(РТК) GNSS/GPS, SBAS і поєднання додаткових датчиків, таких як інерціальні навігаційні системи або радари. Більш точні GPS-приймачі також допомагають зменшити похибки завдяки різним алгоритмам, обчислюючи позицію за допомогою псевдодальномірів або обчислень несучої хвилі.
GPS проти GNSS: у чому різниця?
GNSS – це спосіб опису кожного сузір’я супутників на орбіті; GPS – одне з декількох сузір’їв, що входять до складу GNSS. Від GPS до ГЛОНАСС (експлуатується Державною корпорацією з космічної діяльності “Роскосмос” в Росії), багато сузір’їв складають GNSS. Технологія позиціонування покладається на багато різних сузір’їв, щоб забезпечити точну і надійну PNT. Замість того, щоб порівнювати GNSS з GPS, то краще розглянути ці технології в порівнянні чім GPS відрізняється від інших.
Ми порівнюємо GPS з іншими сузір’ями, такими як ГЛОНАСС, BeiDou і Galileo, в нашій статті “Що таке GNSS“.
Застосування GPS
GPS підтримує додатки по всьому світу, що використовують супутникові технології для надійного позиціонування, навігації та вимірювання часу. Ці програми відрізняються залежно від галузі, але використання GPS базується на потребі в точному визначенні місцезнаходження, надійній та безпечній навігації, відстеженні та моніторингу руху об’єкта, зйомці та картографуванні місцевості або визначенні часу з точністю до мільярдної частки секунди.
Наприклад, у гірничодобувній промисловості GPS використовується для дослідження місцевості перед початком робіт. Компанії відстежують потенційні родовища корисних копалин, визначають, яких ділянок слід уникати, щоб зменшити вплив на навколишнє середовище, і забезпечують автономне транспортування корисних копалин по ділянці.
Програми, що потребують високоточного позиціонування, використовують GPS поряд з іншими сузір’ями. Однак, завдяки зашифрованому сигналу М-коду, американські військові покладаються на GPS в унікальний спосіб. M-код дозволяє військовим забезпечити безперервний доступ до позиціонування і підвищити стійкість до потенційних джерел перешкод і завад.
GPS обладнання та рішення
GPS-обладнання дозволяє проводити точні вимірювання PNT, необхідні для рішень і застосувань у багатьох галузях промисловості. Від оборони до видобутку корисних копалин, від сільського господарства до комерційного судноплавства – GPS необхідна для надійного позиціонування, безпечної навігації та високоточного визначення часу. У восьмому розділі нашої книги “Introduction to GNSS(https://novatel.com/an-introduction-to-gnss)” детально описано спеціалізоване обладнання та рішення, які підтримує технологія GPS, а нижче ми наведемо кілька прикладів.
На додаток до GPS-приймача, який обчислює ваш PNT, наступним найважливішим елементом технології є ваша антена. Антена GPS/GNSS виконує роль воротаря, який забезпечує прийом лише високоякісних супутникових сигналів для точних розрахунків. Ці розрахунки доповнюються службами корекції GNSS/GPS, які можуть виправляти багатопроменеві, часові та атмосферні помилки. І антени, і служби корекції є ключовими гравцями в технології GPS.
Технологія захисту від перешкод GPS (GAJT) включає в себе портфоліо антен, що захищають сигнали GPS та інших супутників від перешкод, глушіння та підміни. Сигнали з М-кодом забезпечують лише мінімальний захист від перешкод, тоді як GAJT та інші рішення для захисту від перешкод ще більше підвищують стійкість і надійність системи для гарантованої роботи PNT.
Як GPS забезпечує точне місцезнаходження, навігацію та синхронізацію
У цій статті ми описали, що таке GPS, як він працює і як його використовують для підтримки додатків по всьому світу. GPS була однією з перших систем супутникового позиціонування, і її інновації продовжують підтримувати розвиток і впровадження технологій позиціонування і сьогодні. Оскільки автономні додатки на основі GPS стають все більш поширеними, GPS також продовжуватиме залишатися основою повсякденного життя.
Джерело: 