Глонасс/GPS Мониторинг в Волгограде

Принцип работы, Технология GPS.
GPS - начальные буквы названия глобальной системы определения координат - Global Positioning System.

Что это за система?
GPS-навигация основана на приеме сигналов, поступающих от спутников, и вычислении расстояния между спутником в момент излучения и GPS  приемником в момент приема. Регистрируя время прохождения радиосигнала, и, зная скорость его распространения, легко определить расстояние до источника излучения. Для вычисления координат (широты и долготы) GPS приемника на поверхности земли необходимо одновременно определять расстояние до трех навигационных спутников. При приеме сигналов от четырех спутников можно вычислить также высоту объекта над уровнем моря. Местоположение навигационных спутников на орбитах должно быть известно в любой момент времени. Помимо этого для правильного вычисления координат необходима точная временная привязка и синхронизация часов на спутниках и в навигационных GPS приемниках. На спутники устанавливают атомные часы, имеющие точность около одной наносекунды. Для корректировки хода часов навигационных GPS приемников используются специальные алгоритмы обработки сигналов, одновременно поступающих от четырех спутников.
GPS система, позволяющая с точностью не хуже 100 метров определить местоположение объекта, т.е. определить его широту, долготу и высоту над уровнем моря, а также направление и скорость его движения. Кроме того, с помощью спутниковой GPS системы можно определить время с точностью до 1 наносекунды

Из чего состоит спутниковая GPS система?
GPS состоит из совокупности определенного количества искусственных спутников Земли (спутниковой системы «NAVSTAR») и наземных станций слежения, объединенных в общую сеть. В качестве абонентского оборудования служат индивидуальные GPS-приемники, способные принимать сигналы со спутников и по принятой информации вычислять свое местоположение.

Что представляет собой спутниковая GPS система NAVSTAR?
В состав спутниковой GPS системы «NAVSTAR» входят 24 искусственных спутников Земли, находящихся на 6 различных круговых орбитах, которые расположены под углом 60o друг к другу. Период обращения одного спутника - 12 часов. Вес каждого навигационного спутника около 787 кг, размер более 5 м, включая солнечные батареи. На борту каждого спутника установлены атомные часы, вычислительно кодирующее устройство и передатчик мощностью 50 Вт.
Навигационные сигналы излучаются спутниками на двух рабочих частотах: на частоте 1575.42 МГц (диапазон L1) и на частоте 1227.60 МГц (диапазон L2). В диапазоне L1 излучаются сигналы, предназначенные для гражданских пользователей, а также сигналы военного кода. Диапазон L2 используется только для передачи сигналов военного кода. Пользовательские GPS навигационные приборы принимают сигналы в обоих диапазонах, что позволяет уменьшить погрешности, связанные с влиянием ионосферы.
Рождением «NAVSTAR» можно считать февраль 1978 года, когда на орбиту был выведен первый спутник навигационной GPS системы. Средний срок службы одного спутника приблизительно 10 лет, поэтому в программу входит постоянное производство и выведение на орбиту новых спутников, на смену использовавшим свой ресурс. Стоимость постройки и запуска 24 спутников - 12 миллиардов долларов.

Какую информацию спутники передают на Землю ?
Каждую миллисекунду навигационные спутники передают на Землю:

Что такое альманах?
Это информация о том, в каком месте небесной сферы должен находиться каждый навигационный спутник в любое момент времени в течение суток, т.е. орбитальные данные всех спутников.

Как происходит определение координат?
GPS-приемник на основании полученной со спутников информации определяет расстояние до каждого спутника, их взаимное расположение и вычисляет свои координаты по законам геометрии. При этом, для определения 2-х координат (широта и долгота) достаточно получить сигналы с трёх спутников, а для определения высоты над уровнем моря - с четырёх.

Как GPS-приемник  определяет расстояние до навигационных спутников
Поскольку скорость распространения радиосигналов постоянна и равна скорости света, расстояние до спутников определяется по задержке времени приема сообщения GPS-приемником относительно времени отправки сообщения с борта спутника. Конечно, для точного определения этой задержки часы на спутниках и часы в GPS-приемнике должны быть синхронны, что обеспечивается синхронизацией часов GPS приемника по информации, содержащейся, как указывалось выше, в сигналах спутников.

Каковы источники погрешности при определении местоположения?
Система GPS работает в двух режимах:

На точность вычисления местоположения существенно влияет геометрия навигационных спутников, то есть расположение спутников относительно друг друга и относительно GPS - приемника. В оптимальном варианте четыре «видимых» GPS приемником спутника должны находится в разных направлениях.
При прохождении радиосигнала через ионосферу и тропосферу скорость его распространения уменьшается, что приводит к ошибкам о вычислении расстояний до спутников. Существенное влияние оказывают также различные атмосферные явления.
Повторное отражение спутникового сигнала от различных объектов возможно в городе среди высоких зданий, в горах или в ущельях. При этом радиосигнал взаимодействует со зданиями или рельефом местности до того, как он достигнет приемной антенны. Отраженному сигналу требуется больше времени для достижения GPS приемника, чем прямому, возникают ошибки определения дальности.
Интерференция сигнала, поступающего от спутника и сигналов, отраженных от различных объектов, также вносит определенную погрешность в определение координат.
Погрешность вносят также ошибки хода часов GPS приемника.
Специальные алгоритмы обработки радиосигналов и конструкция антенн современных GPS - приемников позволяют свести к минимуму влияние перечисленных источников ошибок.

Что представляет собой GPS-приемник?
Система GPS позволяет определить местоположение в любой точке на суше, на море и в околоземном пространстве. В зависимости от области применения, диапазон которой довольно широк, а также от стоимости, которая может колебаться от сотен до нескольких тысяч долларов, исполнение GPS-приемников также весьма разнообразно. В целом весь спектр моделей GPS можно разделить на четыре большие группы:

Персональные GPS приемники индивидуального применения. Эти модели отличаются малыми габаритами и широким набором сервисных функций: от базовых навигационных, включая возможность формирования и расчета маршрутов следования, до функции приема и передачи электронной почты.
Автомобильные GPS приемники, которые предназначены для установки в любом наземном транспортном средстве и имеют возможность подключения внешней приемо-передающей аппаратуры для автоматической передачи параметров движения на диспетчерские пункты.

Морские GPS приемники, оснащенные ультразвуковым эхолотом, а также дополнительными сменными картриджами с картографической и гидрографической информацией для конкретных береговых районов.

Авиационные GPS приемники, используемые для пилотирования летательных аппаратов, включая коммерческую авиацию.

Существуют ли другие системы определения местоположения?
Существует альтернативная спутниковая GPS система «ГЛОНАСС». Однако, несмотря на более высокую точность определения местоположения, ее надежность и потребительские характеристики существенно ниже, чем у «NAVSTAR», и на сегодняшний день широкого распространения эта GPS система не получила.