Симплексная связь

Субтитры

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!