Система определения местоположения GPS - основные составляющие и принцип работы
Точность функционирования системы слежения GPS достигается благодаря упорядоченному взаимодействию космической и наземной составляющей. В 1978 году был выведен на околоземную орбиту первый спутник системы, в 1999 году вокруг планеты вращалось уже 24 спутника, а сейчас их количество достигло 31 спутника. Система GPS базируется на эффекте Допплера, при помощи которого измеряется точное расстояние от спутника до объекта. Чтобы определять высоту и точное местоположение требуется не менее 4 спутников.
Почему именно 4? Простая геометрия: Вначале измеряется расстояние от приемника сигнала до спутника и очерчивается виртуальная сфера расположение приемника GPS сигнала. Затем измеряется расстояние от приемника сигнала до второго спутника и очерчивается еще одна сфера. Эти две сферы пересекаются, а линия их пересечения является окружностью. И именно на ней располагается точка, местоположение которой определяется. Если вокруг третьего спутника описать аналогичную сферу, она будет иметь с этой окружностью всего две точки пересечения. Одна из этих точек находится под или над поверхностью Земного шара и двигается со слишком большой скоростью. Чтобы иметь возможность внести корректировку в измерения, используется четвертый спутник: для него также определяется сфера и точки ее пересечения с кругом. Если при этом координаты точки отличаются от ранее определенных по третьему спутнику, то компьютер запускает специальный алгоритм, при помощи которого ошибка устраняется и вычисляется точное местоположение объекта. Большинство современных GPS-приемников умеют обрабатывать данные, получаемые сразу от 12 спутников.
Фактически, 24-х космических спутников, вращающихся вокруг Земли, вполне достаточно, чтобы в любой момент времени обслуживать любую точку планеты. Но на самом деле их в космосе немного больше. Это сделано на случай, если какой-то из спутников выйдет из строя, а также с целью улучшения уровня качества сигнала. Высота орбиты спутников системы GPS составляет 20 196 км, а относительно экватора их орбита наклонена на 550. За всей группой спутников, вращающихся вокруг Земли, следят 12 наземных станций – 11 обычных и 1 главная, которая располагается в штате Колорадо на авиабазе ВВС США.
Сигналы точно выверенной частоты передаются от спутников. В приемниках генерируется сигнал аналогичной формы. Приемник, получая поступивший со спутника сигнал, производит расчет его задержки, то есть вычисляет время, когда точно такой же сигнал был послан спутником. На основе этих данных вычисляется расстояние до спутника: скорость света умножается на время, которое понадобилось сигналу, чтобы достигнуть приемника. Это очень высокоточные расчеты, ведь до Земли сигнал обычно долетает за 1/11 секунды. Для достижения подобного уровня точности на некоторых спутниках установлены атомные часы, а наземные станции регулярно передают соответствующие поправки.
