Я уверен, что очень многие,
если не все кто смотрит
это видео, напрямую или
косвенно пользовались
Американской системой
глобального позиционирования
«GPS» или Советско-Российской
«ГЛОНАСС». Но знаете ли
вы, как эти спутниковые
системы способны определить
ваше местоположение, а
точнее местоположение
вашего приемника? В этом
видео я постараюсь дать
основные понятия об этом.
И сразу вопрос: Как вы думаете,
какая из частей этой системы
определяет, где именно
находится абонентское
оборудование (в его роли
может выступать смартфон,
навигатор и любое другое
устройство с GPS/ГЛОНАСС
приемником)? Может спутники?
Или может само приемное
устройство? И вообще как
ваш смартфон или GPS-трекер,
к примеру, может связываться
со спутниками, неужели
он настолько мощный?
Если вам стало интересно,
давайте попробуем разобраться
со всеми этими вопросами.
Я буду рассматривать две
системы спутниковой навигации,
которые сейчас широко распространены
и активно используются,
а также есть просто огромное
количество устройств с
чипами для приема и обработки
их сигналов. Это GPS и ГЛОНАСС.
Кстати сразу скажу, что
подобные системы, разрабатываются
сейчас в Китае, Европе,
Индии и Юго-Восточной Азии,
хотя чисто технически достаточно
и одной такой системы для
обслуживания всех абонентов
в любой точке планеты. При
этом у вас может возникнуть
вполне резонный вопрос
- для чего все стремятся
создать собственную навигационную
систему, если можно обойтись
и одной? Я вам отвечу -- тому
виной политика и опасения
что, например созданная
Министерством обороны
США -- GPS откажет или ее просто
сделают доступной лишь
для авторизированных пользователей
путем кодирования радиосигнала
и тогда у других стран не
останется альтернатив
равных по точности и скорости
определения координат.
Но у этой паранойи есть
и положительная сторона
- объединив системы разных
стран, можно будет повысить
точность определения координат
до нескольких сантиметров
при учете, что на данный
момент этот параметр для
гражданских нужд колеблется
в пределах нескольких метров.
А теперь о принципе работы
(на примере GPS - Global Positioning
System):
При определении местоположения
используется трехмерная
система координат «WGS 84»,
которая охватывает всю
планету и имеет погрешность
менее 2 сантиметров, а также
система из 32-х спутников,
один из которых (на момент
записи этого видео) находится
в состоянии ввода в эксплуатацию,
вращающихся на земной орбите
в 6 плоскостях (в каждой
плоскости находится от
4-х до 6-и аппаратов) на высоте
20 350 километров передвигающихся
со средней скоростью 14
000 км/ч. При этом в любой
точке планеты в зоне приема
вашего GPS-навигатора будет
как минимум 4 спутника.
Спутники постоянно транслируют
радиосигналы на разных
частотах в гигагерцовом
диапазон условно обозначаемых
L1 = 1,57542 ГГц, L2 = 1,22760 ГГц и
начиная с 2013 года L5 = 1,17645
ГГц. Эти сигналы могут быть
приняты обычной антенной
в так называемой зоне прямой
видимости и использованы
для вычисления вашего местоположения,
кстати, вычисления производит
непосредственно абонентское
оборудование без необходимости
что-то передавать обратно
на спутник. Такая связь
называется полудуплексной
или симплексной.
Каждый спутник имеет на
борту очень точные атомные
часы, которые синхронизируются
с такими же на земле. Синхронизация
должна проходить потому,
что в сутки из-за релятивистского
и гравитационного замедления
времени часы на спутнике
отстают на 38 микросекунд
и собственно синхронизация
решает эту проблему.
Теперь давайте разберемся,
зачем нужна такая высокая
точность часов на спутниках.
Причина кроется в самом
принципе определения местоположения
приемника, который заключается
в измерении разницы между
временем передачи и временем
приема (т.е. вычисляется
время, за которое сигнал
от спутника дошел до абонента).
Иными словами расстояние
равно произведению скорости
света на разность моментов
приема сигнала потребителя
и момента его синхронного
излучения от спутников.
Здесь: Aj — местоположение
j-го спутника, Tj — момент
времени приема сигнала
от j-го спутника по часам
потребителя, T— неизвестный
момент времени синхронного
излучения сигнала всеми
спутниками по часам потребителя,
C — скорость света, X — неизвестное
трехмерное положение потребителя.
Таким образом, для вычисления
координат приемника на
местности необходимо знать
точные координаты спутников,
от которых мы принимаем
сигналы, но так как они
постоянно перемещаются
и их координаты меняются,
это становится довольно
сложной задачей. Поэтому
для оперативного просчёта
и уменьшения вычислительной
мощности размеров и стоимости
пользовательской аппаратуры,
вычисление максимально
возможного объема данных
было возложено на наземный
комплекс управления, в
котором по результатам
наблюдений за спутниками
просчитывается прогноз
параметров их орбиты в
фиксированные моменты
времени. И теперь зная предполагаемые
параметры орбиты и точные
координаты спутника можно
вычислить будущее расположение
спутника в произвольный
момент времени. И эти спрогнозированные
результаты орбиты называются
-- эфемеридами. Набор сведений,
применяемых для поиска
видимых спутников, выбора
оптимального созвездия
и, содержащих данные о текущем
состоянии навигационной
системы в целом, включая
"загрублённые" эфемериды,
называются альманахом.
Передатчики, находящиеся
на спутнике в беспрерывном
режиме передают навигационные
сообщения, содержащие эфемериды
с метками времени и альманахом.
Пользовательская аппаратура,
принимая такое навигационное
сообщение и опираясь на
заложенный в памяти предыдущий
альманах, максимально быстро
и точно определяет собственные
координаты пользуясь формулой
о которой я говорил ранее.
Таким образом, чем больше
спутников будут в зоне
приема потребителя, тем
выше точность расчета.
Чтобы было понятнее давайте
рассмотрим такую ситуацию:
Предположим, что в зоне
приема в том месте, где
мы находимся, есть 4-е спутника.
Вычислив расстояние от
спутника номер 1 до приёмника,
представим сферу, где центром
будет сам спутник.
Теперь вычислив расстояние
от приёмника до спутника
номер 2, представим себе
вторую сферу, где центром
будет этот спутник. Область,
где две сферы пересекутся,
и будет областью нашего
предполагаемого местонахождения.
Но для получения более
точных данных нам понадобится
информация о расстоянии
до спутника номер 3 и одна
из двух точек. Место пересечения
трёх предполагаемых сфер
и будет местом нашего позиционирования.
Теперь для устранения неверного
решения и одновременного
уточнения места позиционирования
потребуется четвертый
спутник.
После этого наша задача
будет решена и определены
точные координаты приемника.
Но задача, которую мы решили
чисто теоретическая, на
практике всё намного сложней.
Например, существует влияние
ионосферы и тропосферы,
где скорость сигнала замедляется,
естественные и искусственные
препятствия для прохождения
радиоволн. Сигнал имеет
свойство отражаться от
поверхности, что приводит
к увеличению расстояния,
которое он проходит до
приемника и соответственно
вызывает погрешности в
результатах. А также существуют
помехи и наводки на сигнал.
В связи со всеми этими погрешностями
приходится решать одновременно
несколько задач и корректировать
сигнал от спутников с помощью
наземных станций, в том
числе беспроводных технологий
Wi-Fi и GSM. Кстати сейчас во
многих приемниках используется
чип «A-GPS» который позволяет
загружать в устройство
актуальный альманах через
сотовую сеть для ускорения
и упрощения расчетов, что
повышает точность определения
координат.
Все что я сейчас рассказал
относиться к GPS, но эта информация
в большинстве своем актуальна
и для ГЛОНАСС, за исключением
некоторых отличий. Как
например наклонение орбиты
спутников, количество орбитальных
областей, частота радиосигнала
и некоторые других параметров.
В любом случае если вам
стало интересна эта тема,
советую изучить официальные
источники ссылки на которые
будут в описании, а также
поставить лайк этому видео
и подписаться на мой канал.
К стати предлагаю посмотреть
мои другие видео тоже касающиеся
определения координат
и того как можно в режиме
реального времени через
сайт увидеть передвижения
морских судов и самолетов.
Всем пока и удачи!